СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУМАГИ, УСТОЙЧИВОЙ К ВЛАГЕ И ЗАГРЯЗНЕНИЮ, И БУМАГА, УСТОЙЧИВАЯ К ВЛАГЕ И ЗАГРЯЗНЕНИЮ
METHOD OF MANUFACTURING PAPER RESISTANT TO MOISTURE AND DIRT, AND PAPER RESISTANT TO MOISTURE AND DIRT

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности, в частности, к производству бумаги, устойчивой к влаге и загрязнению. Такая бумага может быть использована для изготовления банкнот и ценных документов, требующих увеличенного времени нахождения в обращении.
Известен способ изготовления бумаги, устойчивой к загрязнению, включающий формование из растительных волокон бумажного полотна, обработку его в пропиточной ванне составом на основе поливинилового спирта, сушку и каландрирование (DE 4040347 A1, 17.12.1990). Недостатком способа является невысокая физико-механическая прочность и устойчивость полученной бумаги к загрязнению.
Известен способ изготовления бумаги, устойчивой к загрязнению, заключающийся в том, что сформованное из растительных волокон бумажное полотно обрабатывают составом, содержащим поливиниловый спирт и аммониевую соль хелата титана и молочной кислоты, сушат и каландрируют (RU 2318943 C1, 10.03.2008).
Недостатком способа является недостаточная устойчивость полученной бумаги к загрязнению.
Кроме того, к недостаткам известных способов можно отнести низкую устойчивость к влаге, что затрудняет применение бумаги, изготовленной в соответствии с этими способами, в условиях тропического климата и сильных перепадов влажности.
Известен способ изготовления бумаги, более устойчивой к влаге и загрязнению, предусматривающий нанесение на плоскую поверхность основы защитного покрытия, состоящего из двух лаковых слоев. Первый слой образован слоем физически высыхающего лака, который обеспечивает контакт с основой и закрывает ее поры. Высыхающий лак состоит из дисперсии на водной основе полиуретана или сложных полиэфиров алифатических полиуретанов или акрилстиролполиуретанов. Второй, верхний лаковый слой защищает основу от физических и химических воздействий и образован слоем радиационно-отверждаемого или физически высыхающего лака, состоящего из УФ-сшитого лака, дисперсионного лака на водной основе или комбинированного лака (RU 2339755 C1, 27.11.2008).
Наиболее близким к заявленному техническим решением является способ изготовления бумаги, устойчивой к влаге и загрязнению, включающий обработку пористого бумажного полотна с обеих сторон составом на основе водной дисперсии полиуретана, удаление избытка указанного состава с пористого бумажного полотна и его сушку. Согласно данному способу для обработки бумаги используют клеильный пресс или пленочный пресс (RU 2401353 C1, 10.10.2010).
К недостаткам известного способа можно отнести малое время контакта состава с поверхностью бумажного полотна из-за использования для обработки клеильного или пленочного пресса, что приводит к незначительной адсорбции состава порами бумаги, и, следовательно, к недостаточной устойчивости бумаги к влаге и загрязнениям.
Если же в известном способе использовать валы обжимного пресса пропиточной ванны вместо клеильного пресса, то на их поверхности накапливаются отложения высохшего состава, что приводит к постепенному загрязнению других узлов бумагоделательной машины и, как следствие, к проблемам при изготовлении бумаги.
Задача, решаемая изобретением - повышение устойчивости бумаги к загрязнению за счет обеспечения повышенной адсорбции бумагой состава, используемого для ее обработки, при возможности использования в пропиточной ванне состава с высокой концентрацией активного вещества.
Поставленная задача решается описываемым способом изготовления бумаги, устойчивой к влаге и загрязнению, который включает обработку пористого бумажного полотна с обеих сторон составом на основе водной дисперсии полимеров, придающим бумаге устойчивость к влаге и загрязнению, удаление избытка водной дисперсии из пористого бумажного полотна и сушку, при этом обработку пористого бумажного полотна упомянутой водной дисперсией осуществляют в пропиточной ванне, а удаление избытка водной дисперсии из полотна осуществляют путем пропускания пропитанного полотна между валами обжимного пресса, на поверхность которых предварительно нанесено покрытие, содержащее теломеры, полученные свободно-радикальной полимеризацией тетрафторэтилена.
Предпочтительно, нанесение покрытия, содержащего теломеры, осуществляют на обезжиренную поверхность валов из 0,3-7,0% мас. раствора теломеров тетрафторэтилена в ацетоне с последующей термообработкой при температуре не более 200°С.
Толщина нанесенного на валы обжимного пресса покрытия, предпочтительно, может составлять 10 микрон и менее.
Преимущественно, обработку бумажного полотна водной дисперсией полимеров осуществляют при динамической вязкости дисперсии менее 50 мПа·с и при температуре не более 30°C.
Наиболее предпочтительно использовать состав, придающий бумаге устойчивость к влаге и загрязнению, который приготовлен на основе дисперсии полиуретана, или дисперсии полиакрилата, или их смеси.
Поставленная задача решается также бумагой, изготовленной способом, охарактеризованным совокупностью признаков, изложенных выше.
В общем виде заявляемый способ осуществляют следующим образом. Производят размол волокнистого сырья, состоящего в основном из хлопковых волокон, и готовят бумажную массу. В приготовленную бумажную массу добавляют наполнители (двуокись титана, мел, каолин) и добавки для повышения прочности бумаги в сухом и мокром состоянии (натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы, альгинат натрия, крахмал, полиамид(амин)эпихлоргидринная смола). В бумажную массу при необходимости добавляют вещества для внутримассной проклейки бумаги (димеры алкилкетена, алкенил янтарные кислоты и т.д.), красители (прямые, кислотные и т.д.).
Кроме того, в бумажную массу вводят добавки, необходимые для защиты от подделки, такие как окрашенные волокна, волокна с флуоресцентными, термохромными, магнитными и другими свойствами.
Из приготовленной бумажной массы формуют на круглосеточной или плоскосеточной бумагоделательной машине бумажное полотно, которое может содержать, например, водяные знаки, встроенные в структуру бумаги защитные нити.
Далее сформованное и предварительно подсушенное бумажное полотно обрабатывают в пропиточной ванне составом, содержащим в качестве основного компонента дисперсию полиуретана. Валы обжимного пресса ванны предварительно защищены заявленным покрытием. При необходимости состав может содержать пеногасители (органо-силиконовые эмульсии), сшивающие агенты (полиизоцианаты, полиимины) и другие добавки.
После обжимного пресса бумажное полотно подвергают безконтактной аэрофонтанной сушке и сушке на сушильных цилиндрах, каландрируют и сматывают в накат.
В заявленном способе можно применять дисперсии полиуретана, стабилизированные в воде с помощью эмульгаторов (эластомерные дисперсии), а также дисперсии с внутренней ионной стабилизацией (иономерные дисперсии). Причем наиболее предпочтительно использовать иономерные дисперсии полиуретана анионного типа, в которых часть полиольного компонента замещена полифункциональным мономером с карбоксильными группами, нейтрализованными аммиаком или третичным амином (триэтиламин, диметиламиноэтанол и т.д.).
На валах обжимного пресса предварительно формируют защитное покрытие, включающее теломеры тетрафторэтилена, полученные свободно-радикальной полимеризацией тетрафторэтилена в алифатическом кетоне.
При этом толщина покрытия должна быть не менее 10 микрон, еще более предпочтительно, менее 5 микрон. Для повышения износостойкости материал покрытия, в основном, должен проникать в микропоры облицовки валов обжимного пресса.
Мы установили, что указанным условиям наиболее полно удовлетворяют покрытия на основе теломеров тетрафторэтилена (далее - фтортеломеры).
Можно применить фтортеломеры, производимые компанией DuPont Chemical Solutions Enterprises под торговой маркой Zonyl.
Однако, наиболее целесообразно использовать с этой целью фтортеломеры, синтез которых подробно описан в патенте RU 2381237 C2, 10.02.2010.
Синтез фтортеломеров, например, может быть осуществлен с помощью радиационного метода с использованием ионизирующего излучения. При этом раствор тетрафторэтилена в алифатическом кетоне, в качестве которого обычно используется ацетон, подвергают воздействию гамма-излучения ^Со. Полученный раствор фтортеломеров наносят на поверхность и после испарения растворителя и термообработки получают тонкие защитные покрытия со свойствами, близкими к свойствам ПТФЭ.
Процесс получения покрытия на поверхности валов обжимного пресса состоит из следующих этапов: сушка, обезжиривание поверхности, нанесение на поверхность раствора фтортеломера с помощью пульверизатора, кисти и т.д., термообработка поверхности при температуре не более 200°C. При необходимости поверхность шлифуют с использованием войлочного круга.
Жидкофазное состояние фтортеломеров в растворе позволяет получить на поверхности валов обжимного пресса защитные покрытия с толщиной менее 10 микрон. Это позволяет снизить температуру и применить для термообработки переносные нагревательные устройства. Благодаря небольшой толщине покрытия, термообработка поверхности занимает существенно меньше времени, чем при нанесении суспензии ПТФЭ. Кроме того, растворы фтортеломеров хорошо проникают в микропоры облицовки валов обжимного пресса.
Для получения покрытия на поверхности валов обжимного пресса предпочтительно использовать растворы фтортеломеров с концентрацией 0,3-7,0 мас.%. Это объясняется тем, что при концентрации менее 0,3 мас.% не удается получить покрытия с необходимыми защитными свойствами, а при концентрации более 7,0 мас.% возникают проблемы с равномерностью нанесения покрытий из-за повышенной вязкости растворов фтортеломеров.
Растворы фтортеломеров в соответствии с изобретением могут содержать добавки, способствующие улучшению смачивания, снижению летучести растворителя и т.д.
Для повышения износостойкости покрытия валов на основе фтортеломеров целесообразно, чтобы температура обрабатывающего состава в процессе изготовления бумаги была не более 30°C или, что еще более предпочтительно, не более 25°C. Регулировать температуру обрабатывающего состава можно, пропуская холодную воду через рубашку в корпусе пропиточной ванны. Причем для нивелирования эффекта ухудшения проникновения обрабатывающего состава в структуру пористого бумажного полотна из-за снижения температуры, динамическая вязкость обрабатывающего состава должна быть менее 50 мПа·с или, что еще более предпочтительно, менее 35 мПа·с.
Если же использовать обычные покрытия на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), то возникает ряд проблем, описываемых ниже.
Покрытия из ПТФЭ обычно получают распылением суспензии ПТФЭ по поверхности с последующим формированием слоя полимера в процессе тепловой обработки. При этом закрепление осуществляется при высокой температуре 350-400°C, что крайне нежелательно для таких материалов, как резина или полиуретан. Кроме того, суспензии ПТФЭ обычно содержат вспомогательные добавки (эмульгаторы, стабилизаторы и т.д.), которые ухудшают свойства покрытия и приводят к необходимости формирования нескольких последовательных слоев суммарной толщиной более 10 микрон. Это также способствует удлинению времени тепловой обработки, которую обычно проводят в стационарных нагревательных камерах.
Кроме того, на валах и цилиндрах покрытия можно получать с помощью готовых термоусадочных рукавов из ПТФЭ. Толщина таких покрытий определяется толщиной термоусадочного рукава и составляет, как правило, не менее 0,5 мм, что способствует изменению характеристик поверхности валов и, в том числе, их твердости.
В соответствии с заявленным изобретением, т.е. при использовании покрытия поверхности валов на основе теломеров тетрафторэтилена, упомянутых выше проблем не возникает, и получаемая заявленным способом бумага обладает высокой степенью защиты от влаги и загрязнений.
Устойчивость бумаги к влаге определена с помощью метода определения поверхностной впитываемости воды при одностороннем смачивании (метод Кобба).
Для определения устойчивости бумаги к загрязнению применяют следующий метод. Загружают в стальной барабан 2 килограмма стеклянного бисера и грязевую смесь, состоящую из бентонитовой глины (0,3 г), этилового спирта (0,5 мл), соевого масла (1,0 мл) и дистиллированной воды (6,0 мл). Барабан приводят во вращение от электропривода (5 минут, 60 об/мин) для равномерного распределения грязевой смеси по поверхности стеклянного бисера. После этого загружают в барабан поверх стеклянного бисера двадцать образцов бумаги с предварительно закрепленными по углам утяжеляющими грузами. Барабан вращают 15 минут в каждом направлении, после чего удаляют из него испытуемые образцы. Устойчивость образцов бумаги к загрязнению оценивают по изменению показателя яркости L* до, и после загрязнения.
Далее заявленный способ иллюстрируется примерами его осуществления в соответствии с изобретением и сравнительными примерами.
На фигуре 1 показана общая схема пропиточной ванны с обжимным прессом.
Пример 1 (сравнительный). Осуществляют размол хлопкового волокнистого сырья и приготавливают бумажную массу. В эту массу на разных стадиях подготовки вводят необходимые добавки. Из приготовленной бумажной массы на круглосеточной бумагоделательной машине формуют бумажное полотно, которое может содержать водяные знаки, нити и другие защитные признаки.
Сформованное бумажное полотно после стадии сушки обрабатывают в клеильном прессе составом, содержащим 12% дисперсии полиуретана, в пересчете на сухое вещество, сушат, каландрируют и сматывают в накат.
Пример 2 (сравнительный). Бумажное полотно формуют аналогично примеру 1.
Сформованное бумажное полотно 1 (фиг.1) после стадии сушки обрабатывают в пропиточной ванне 2 составом, содержащим 12% дисперсии полиуретана, в пересчете на сухое вещество, пропускают через обжимной пресс 3, сушат, каландрируют и сматывают в накат. При этом на валах обжимного пресса 3 наблюдается рост отложений, которые через 30 минут работы бумагоделательной машины становятся критичными для производственного процесса.
Пример 3 (заявляемый способ).
Аналогичен примеру 2, с тем отличием, что на валы обжимного пресса 3 предварительно наносят покрытие раствора фтортеломеров в ацетоне концентрацией 0,8 мас.% с последующей термообработкой при температуре 150°С. Толщина покрытия около 5 микрон. Твердость валов обжимного пресса 3 после нанесения покрытия не изменяется. Обработанное бумажное полотно сушат, каландрируют и сматывают в накат. За 6 часов непрерывной работы на валах обжимного пресса 3 не образовалось отложений.
Полученные образцы бумаги испытали на устойчивость к влаге и загрязнению. При этом наиболее высокий привес и устойчивость к влаге и загрязнению показали образцы, изготовленные в соответствии с заявляемым способом (Пример 3).
Таким образом, заявляемый способ позволяет изготавливать бумагу с повышенными по сравнению с прототипом показателями устойчивости к влаге и загрязнениям.