Производство бумаги и картона

Сакоцелл-309 можно добавлять в массу и в товарном виде, и после разбавления свежей водой. Для хорошего распределения клея в бумажной массе его необходимо дозировать ближе к ма­ шинному бассейну. Во всяком случае до подачи глинозема клей должен быть равномерно распределен между волокнами массы.

Для стабильной проклейки требуется следующее количество глинозема, %:

1)для бумаги без древесной массы - 0,5... 1,0;

2)для бумаги, содержащей древесную массу и макулатуру, -

до 2,5.

Алкилкетендимер (АКД) представляет собой синтетический проклеивающий агент, используемый в производстве бумаги и карто­ на в пределах значений pH от 6,5 до 9,0. АКД вступает в химическую реакцию с целлюлозой, образуя ковалентную химическую связь, кото­ рая обеспечивает высокую устойчивость целлюлозной поверхности по отношению к кислотам, щелочам и воде.

Нейтральный метод проклейки обладает следующими пре­ имуществами по сравнению с традиционной проклейкой:

1)позволяет использовать карбонат кальция в качестве наполни­ теля, а также карбонатных покрытий с высокой степенью белизны;

2)обеспечивает более высокую степень гидрофобности;

3)обеспечивает большую прочность бумаги, что объясняется не упрочняющим действием АКД, а отсутствием ослабляющего бумагу действия полигидроксокомплексов алюминия, неизбежного при канифольной проклейке в кислой среде;

4)повышенная прочность изготовленной в щелочной среде бумаги позволила многим фабрикам в больших объемах использо­ вать лиственную целлюлозу вместо более дорогой хвойной;

5)снижает коррозию оборудования и удлиняет срок службы одежды БДМ;

6)повышает удержание наполнителя и позволяет повысить зольность бумаги без ухудшения соответствующих показателей ее

прочности; 7) усиливает эффект действия отбеливающих агентов (эффк-

тивность оптических отбеливателей выше на 20...40 %). Проблемы, вызываемые переходом к щелочной проклейке:

-увеличивается образование слизи и пены;

-отлагается смола на оборудовании;

- бумага получается более скользкой, и снижается сила сцеп­ ления её с краской;

—сетки бумагоделательной машины изнашиваются быстрее вследствие использования карбоната кальция.

Факторы, влияющие на проклейку бумаги в нейтральной среде. Влияние значения pH и щелочности среды. Увеличение pH способствует усилению реакции кетендимера с целлюлозой. Одна­ ко следует отметить, что при значении pH выше 9,0 происходит интенсивное взаимодействие димера с водой, резльтатом которого является образование кетона, препятствующего процессу проклей­ ки. Очень высокое значение pH может также привести к окислению отбеленной целлюлозы, а значит, к уменьшению белизны и проч­ ности бумаги.

Стандартным значением pH при нейтральном производстве бумаги является 7,5... 8,5.

Влияние сульфата алюминия. В отличие от проклейки с при­ менением канифольного клея, ионы алюминия отрицательно действуют при проклейке АКД, поскольку замедляют процесс ре­ акции АКД с целлюлозой. Однако в некоторых случаях наличие небольшого количества сульфата алюминия (0,1 %) может оказать даже положительное воздействие на эффективность проклейки (на­ пример, в целлюлозной массе из макулатуры за счет связывания ненужных анионов и улучшения удерживаемости высокодисперс­ ных компонентов массы).

Удержание АКД. Поскольку коллоидный раствор АКД содер­ жит и катионный крахмал, то частицы клея имеют небольшой положительный заряд. Однако, несмотря на это, вместе с добавкой АКД следует использовать определенные средства для лучшего удержания кетендимера. В качестве этих средств обычно выступа­ ют катионные полиакриламиды, катионные крахмалы и смолы. На предприятиях Европы часто используют двухкомпонентные систе­ мы удержания (например, Композил и Гидрокол).

Наличие наполнителей. Наполнители, используемые в произ­ водстве бумаги и картона, отрицательно воздействуют как на проклейку с помощью АКД, так и на проклейку канифольным кле­ ем. Карбонат кальция в меньшей степени затрудняет проклейку, чем каолин, возможно, за счет своего буферного воздействия на значения pH массы.

Сушка бумаги. В отличие от канифольной проклейки, АКД не всегда проявляет свои возможности до конца машинного цикла производства бумаги. Поэтому важно, чтобы реакция взаимодейст­ вия АКД с целлюлозой завершилась за возможно короткий период времени, для чего температуру сушки бумаги увеличивают до мак­ симально возможной.

Влияние вспомогательных химических веществ. Выше уже от­ мечалось положительное влияние на проклейку АКД катионного крахмала и других средств удержания. Следует отметить положи­ тельный эффект от применения обезвоживающих средств и смол, придающих бумаге прочность во влажном и сухом состоянии.

Другие добавки, наоборот, наносят вред процессу проклейки,- многие добавки являются гидрофильными по своей природе и дей­ ствуют как смачивающие (увлажняющие) вещества.

4.3. Наполнение бумажной массы

Широкое распространение процесса наполнения бумажной массы в произодстве бумаги для письма и печати определяется двумя основными причинами:

—заменой части дорогостоящего растительного беленого во­ локна на дешевое минеральное вещество, что непосредственно сказывается на снижении себестоимости продукции;

- улучшением комплекса эксплуатационных характеристик бумаги и картона, в частности, печатных свойств, оптических пока­ зателей, равномерности макроструктуры.

Количественный предел содержания наполнителей в бумаге и картоне ограничен отрицательным влиянием наполнителей на по­ казатели прочности и степень проклейки.

По содержанию наполнителей бумага делится на пять групп: 1) с естественной зольностью (электроизоляционная, фильтро­

вальная, бумага - основа для пергамента и др.);

2)малозольная, зольность менее 6 % (газетная, обойная и др.);

3)средней зольности, зольность 6... 18 % (писчая, офсетная, типографская и др.);

4)повышенной зольности, зольность 18...23 %;

5)высокозольная, зольность более 23 % (типографская, иллю- страцион-ная, для глубокой печати, словарная); некоторые виды бумаги можно отнести к 4-й и 5-й группам.

Виды наполнителей и их характеристика. Каолин - один из наиболее распространенных минеральных пигментов, используе­ мых как для наполнения бумаги и картона, так и в качестве основного компонента для поверхностных покрытий. Наиболее из­ вестны месторождения каолина в США, Великобритании, Бразилии, а также в Казахстане и Украине. Каолин по химическому составу - силикат алюминия. Белизна каолина и размеры его час­ тиц в значительной степени зависят от месторождения, методов получения, очистки, отбелки, флотации. Для улучшения оптическо­ го состава и гранулометрического состава каолина используются следующие методы (раздельно или в комплексе):

-механическая очистка с помощью седиментации, центрифу­ гирования, пропускания через гидроциклоны различного диаметра;

-химическая очистка путем удаления окрашенных оксидов железа и титана (восстановительная или просто кислотная отбелка)

иудаления органических примесей из каолина (окислительная от­ белка), а также очистка комбинированными методами;

-магнитная сепарация в магнитном поле высокой напряжен­

ности;

-флотационная очистка;

-селективная флокуляция;

-термическая отбелка.

Транспортировка каолина для наполнения в открытых вагонах упрощает механизацию выгрузки вагонов, но создает опасность его загрязнения по пути следования. Наилучший способ транспорти­ ровки - перевозка в виде 65...70 %-ной пасты в специальных цистернах, при необходимости - с обогревом.

Каолин для мелования перевозится в мелкой закрытой таре - бумажных или полиэтиленовых мешках, контейнерах, желательно - в виде суспензий. Хранить каолин следует в отдельных помеще­ ниях, в бункерах или кучах, раздельно по сортам, а лучше всего - в виде суспензии в больших емкостях.

Белизна каолина колеблется от 75 до 94 %. Доля фракций с размером частиц до 2 мкм лежит в диапазоне от 30 до 95 %. Час­ тицы каолина имеют округлую форму.

Карбонатные наполнители широко используются в производ­ стве печатных видов бумаги. Их потребление значительно возросло в связи с переходом на нейтральный и слабощелочной способ про­

изводства бумаги. Сырье для получения карбонатных наполните­ лей широко распространено в земной коре в виде осадочных горных пород (около 1 % от массы земной коры). В мире имеется более 50 заводов, производящих из этого сырья порошкообразные наполнители или их суспензии высокой концентрации для бумаж­ ной промышленности.

В качестве наполнителя и частично для покровных паст ис­ пользуются природный измельченный карбонат кальция, а также и переосажденный карбонат кальция.

Сырьем для природного измельченного карбоната кальция яв­ ляются мел, известняк, мрамор. Существует два основных метода производства наполнителей и покровных пигментов из карбоната кальция природного происхождения - сухой и мокрый помол.

Белизна природного карбоната кальция колеблется от 80 до 96 % ISO. Доля фракций с размером частиц до 2 мкм лежит в диапазоне от 40 до 98%.

Переосажденный карбонат кальция производится путем про­ каливания известняка при температуре 800...900 °С до оксида кальция СаО, который обрабатывается водой для получения из­ весткового молочка Са(ОН)2. Через известковое молочко пропускается углекислый газ, в результате чего образуется карбо­ нат кальция СаС03.

Белизна переосажденного карбоната кальция колеблется от 91 до 97 % ISO. Доля фракций с размером частиц до 2 мкм лежит в диапазоне до 98 %. Чаще всего частицы переосажденного карбо­ ната кальция имеют призматическую форму.

Российские карбонатные наполнители имеют белизцу до 88 % по ISO, содержание частиц до 2 мкм лежит в диапазоне 60.. .70 %.

Карбонатные наполнители не могут использоваться в кислой среде из-за растворения с выделением большого количества угле­ кислого газа, поэтому карбонат кальция не сочетается с кислой канифольной проклейкой.

Тальк - это минерал, образовавшийся в результате выветрива­ ния горных пород. Он представляет собой гидратированный силикат магния.

В природе встречается тальк разных оттенков - от белого до желтого и зеленого. Тальковую руду сортируют по Ивету, просу­ шивают, подвергают дроблению, а затем размолу, После чего просеивают.

Белизна талька невысока - 85... 87 %. Частицы имеют форму пла­ стин, чешуек. Размер частиц талька колеблется от 0,3 до 10 мкм при наличии преобладающей фракции с размерами частиц 0,3.. .5,0 мкм.

Наиболее крупные месторождения талька находятся в Австра­ лии, Австрии, Канаде, Китае, Корее, Норвегии, Франции, Финляндии, Испании и США. В России месторождения талька на­ ходятся на Урале, на Кавказе и в Красноярском крае.

Тальк применяют в целлюлозном и бумажном производствах и в процессе облагораживания макулатуры. Благодаря своей органофильности и большой удельной поверхности из-за пластинчатого строения частиц тальк успешно используется для борьбы со смоля­ ными затруднениями. Дозировка талька для этих целей в произ­ водстве бумаги в зависимости от количества вредной смолы со­ ставляет 10...40 кг/т.

Диоксид титана представляет собой кристаллический поро­ шок с высокой белизной (до 98 %) и высокой степенью дисперсности (средний размер частиц 0,3...0,5 мкм). Добавка даже небольших количеств диоксида титана (2...3 %) придает бумаге та­ кую же степень непрозрачности, какую имеет бумага, содержащая 30 % каолина. В промышленности используются две кристалличе­ ские формы диоксида титана: анатаз (коффициент преломления 2,55, плотность до 3,9 г/см3, твердость по Моосу до 6,0) и рутил (коэффициент преломления 2,70, плотность до 4,2 г/см3, твердость по Моосу до 7,0).

Гипс. Размер частиц 1... 10 мкм, белизна 68.. .93 %. Недостаток - растворимость в воде. Придаёт бумаге звонкость, жёсткость; приме­ няется для писчей, почтовой, фотобумаги.

Сернокислый барий (бланфикс), природный - грубодисперс­ ный, искусственный - высокодисперсный, белизна 98...99 %. Хорошо удерживается в бумаге. Применяется для высокосортных видов бумаги (для фотоподложки, печати и др.).

Асбестовый наполнитель - единственный, который имеет по­ ложительный заряд и обладает высокой удерживающей способ­ ностью - до 80 %.

Удерживание наполнителей в бумаге. Значительная часть на­ полнителей уходит с подсеточной водой, а удерживается в бумаге 70...80 % наполнителя при использовании флокулянтов и 30...40 % без них.

Наполнитель удерживается в бумаге механически за счёт ад­ сорбции и флокуляции. Механическое удержание зависит от размеров и форм частиц наполнителя, размера волокон и вида ком­ понентов бумаги.

Лучшим удержанием обладает тальк (60...70 %), имеющий чешуйчатую форму. Частицы каолина имеют округлую форму и его удержание составляет 35...40 %.

Необходимость совершенствования процесса удержания опре­ деляется следующими факторами:

-возрастающим значением экологических проблем;

-увеличением степени замкнутости цикла и требуемой при этом более тщательной очистки оборотной воды;

-расширением сырьевой базы (макулатура, коротковолокнистые полуфабрикаты, полуфабрикаты высокого и сверхвысокого выхода);

-увеличивающейся скоростью БДМ;

-удорожанием машинного времени;

-новыми технологиями формования бумаги и картона;

-интенсификацией отдельных физико-химических процессов (флокуляции, фильтрации, седиментации, флотации и т.д.).

Системы фиксации наполнителей. Системы фиксации - комплекс химических вспомогательных веществ, обеспечивающих оптимальное протекание физико-химических процессов (сорбции, коагуляции, флокуляции, осаждения и т.д.) для достижения необ­ ходимой степени удержания.

Коагулянты - неорганические и синтетические органические вещества, обладающие сильным катионным зарядом и низкой мо­ лекулярной массой (соли алюминия - квасцы, сульфат алюминия, полиоксихлорид алюминия). Коагулянты, сорбируясь на волокне

ичастицах наполнителя, снижают их отрицательный заряд, вплоть до перезарядки наполнителей, и подводят систему к изоэлектрическому состоянию.

Флокулянты - синтетические полимерные продукты, обла­ дающие высокой молекулярной массой, неионогенные либо имеющие катионный или анионный заряд. Наиболее характерными флокулянтами являются: катионный крахмал, катионный полиак­ риламид, анионный полиакриламид, полиамидамин.

Существуют специальные добавки - микрочастицы, вводимые

впоток перед отливом, которые объединяют разрушенные макрофлокулы в микрофлокулы, что значительно увеличивает степень

удержания. Микрочастицы могут быть неорганические (бентонит, кремнезоль) или синтетические органические (полифлекс). Микро­ частицы имеют трехмерную структуру, субмикронные размеры и чаще всего сильный анионный заряд.

Влияние химических вспомогательных веществ на основные технологические параметры показано в табл. 17.

Для правильного подбора системы фиксации следует предва­ рительно определить ряд параметров мокрой части: значение pH среды; удельную электропроводность; дзета-потенциал; катионную или анионную потребность.

Влияние технологических параметров на удержание на­ полнителей. Концентрация бумажной массы при отливе. Снижение концентрации в напускном устройстве уменьшает сте­ пень удержания, так как увеличивается расстояние между частицами компонентов. Для сохранения необходимой степени удержания требуются большие расходы флокулянтов либо исполь­ зование более эффективных систем фиксации.

Другой причиной снижения удержания при разбавлении бумаж­ ной массы является необходимость форсирования обезвоживающих

нагрузок. При этом скорость удаления воды на сеточном столе возрас­ тает, соответственно возрастает провал наполнителя под сетку.

Масса 1 м2 бумаги. Чем выше масса 1 м2 бумаги, тем более вы­ сокой следует ожидать степнь удержания наполнителей. При этом, как правило, увеличивают скорость образования на сетке фильт­ рующего слоя, снижается скорость обезвоживания. Все. это способствует увеличению удержания наполнителей в бумаге.

Номер сетки. Общепринятое мнение, что с увеличением номе­ ра сетки возрастает удержание наполнителя, нуждается в корректировке. Обезвоживание непосредственно через сеточную ткань заканчивается почти мгновенно при контакте бумажной мас­ сы с сеткой, поскольку сразу же начинается образование волокнистого фильтрующего слоя. Поры слоя значительно тоньше, чем ячейки сетки, поэтому удерживаемость при прочих равных ус­ ловиях определяется именно пористой структурой волокнистого фильтрующего слоя.

Вид волокна и степень помола. Как правило, более коротково­ локнистые виды целлюлозы способствует повышению удержания благодаря формированию более плотного фильтрующего слоя на сетке. По этой же причине положительно влияет на степень удер­ жания увеличение степени помола целлюлозных полуфабрикатов.

Однако при использовании в композиции заметных количеств древесной массы достижение высокой степени удержания затрудняет­ ся. Это связано как с особенностями поверхности древесномассных волокон, так и с увеличенным провалом коротковолокнистой фракции древесной массы, увлекающих за собой и частицы наполнителей.

Количество введенного наполнителя. Чем больше наполнителя введено в бумажную массу, тем труднее его удержать, соответст­ венно меньше степень удержания. При высоком содержании наполнителя в бумажной массе увеличивается количество частиц, которые должны быть связаны с волокнами, что требует увеличе­ ния расходов флокулянтов.

Вид наполнителя. Характеристики наполнителя по убыванию степени влияния на удерживаемость можно расположить в сле­ дующий ряд: степень дисперсности; форма частиц; плотность; химическая инертность (растворимость); дзета-потенциал.

При использовании современных систем фиксации лучше удер­ живаются высокодисперсные наполнители. Мелкие частицы более прочно связываются в микрофлокулы и медленнее оседают при фор­