Влияние фракционного состава волокнистой суспензии на ее бумагообразующие свойства

УДК 676.017.28.3

А. В. Костюкевич, магистрант; П. А. Чубис, аспирант; Н. В. Черная, доцент;

Ж. В. Бондаренко, доцент

ВЛИЯНИЕ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА ВОЛОКНИСТОЙ СУСПЕНЗИИ НА ЕЕ БУМАГООБРАЗУЮЩИЕ СВОЙСТВА

Application of wastepaper dictates necessity to take into account influence of fractional structure on paperforming properties. The purpose of the work is studying of influence of fractional structure of cellulose and wastepaper suspensions on their paperforming properties. Results of researches testify to essential influence of grinding process on paperforming properties of cellulose and wastepaper suspensions. Influence of cellulose and wastepaper pulp grinding process on the sized in a mode of heteroada-gulation of peptized particles paper and cardboard properties are determined. It is shown, that for improvement of quality sizing types of a paper and a cardboard (water repellency and durability) it is necessary to increase a share of large and average fraction. It is achieved by management of such major factors of grinding process as concentration and degree of a grinding.

Введение. Использование в композиции бумаги макулатурной массы, отличающейся неоднородным фракционным составом и нестабильными бумагообразующими свойствами, приводит к сложностям в технологическом процессе, которые сказываются на качестве готовой продукции. Также при изготовлении бумаги с повышенным содержанием в композиции макулатурной массы происходят потери мелковолокнистой фракции на сеточном столе бумагоделательной машины. При этом бумага характеризуется невысокими прочностными свойствами. Кроме того, макулатура обладает нестабильными проклеивающими свойствами. Из-за этого происходит колебание гидрофобных свойств бумаги, в частности впитываемо-сти при одностороннем смачивании. Поэтому применение макулатурного сырья диктует необходимость учитывать влияние фракционного состава на бумагообразующие свойства.

К перспективным способам повышения бумагообразующих свойств макулатурного сырья относится управление процессом размола в конических и дисковых мельницах. Это связано с тем, что фракционный состав волокнистой суспензии зависит от ее степени помола, выраженной в градусах Шоппера - Риглера (оШР). При этом на характер процесса размола существенное влияние оказывает концентрация волокнистой суспензии [1].

Цель работы - изучение влияния фракционного состава волокнистой суспензии на ее бумагообразующие свойства.

Отсутствие в литературе информации о влиянии фракционного состава волокнистого сырья (целлюлозы и макулатуры) на бумагообразующие свойства клееных видов бумаги, обусловливает актуальность настоящей работы с научной и практической точек зрения.

Основная часть. В качестве объектов исследования были выбраны образцы бумаги (70 г/м2), отличающиеся фракционным составом волокнистой суспензии, они проклеивались в режиме гетероадагуляции пептизированных частиц [2].

Для изготовления образцов бумаги использовали целлюлозу сульфатную беленую из хвойной древесины (ГОСТ 9571-80Е) и макулатуру марки МС-1А (ГОСТ 10700-97). Исходные степени помола составляли 25 и 12оШР для макулатурной и целлюлозной суспензии соответственно.

Образцы бумаги изготавливали из целлюлозной и макулатурной суспензии, содержащей гидродисперсию модифицированной канифоли (ГМК) (1,5% от а. с. в.) и коагулянт (2,2% от

а. с. в.). Для проклейки волокнистой суспензии в нейтральной среде (рН 6,5-7,2) применяли 2%-ную ГМК, полученную разбавлением водой пастообразной клеевой композиции ТМВС-2Н (ТУ РБ 00280198-017-95) [2, 3], содержащей

(50 ± 5)% сухих веществ и (45 ± 5)% свободных смоляных кислот. Для наполнения образцов бумаги использовали 10%-ную суспензию каолина обогащенного (ГОСТ 21285). Расход наполнителя был постоянным и составлял 16% от а. с. в. В качестве коагулянта применяли 5%-ный раствор сульфата алюминия (ГОСТ 12966-85), содержащий 17% оксида алюминия.

Работу проводили в два этапа. На первом этапе изучали влияние степени помола волокнистой суспензии на фракционный состав целлюлозных и макулатурных волокон. Для этого в лабораторном ролле проводили размол волокнистой суспензии, содержащей целлюлозные или макулатурные волокна, от 30 до 75оШР с шагом в 15оШР [4]. Концентрацию волокнистой суспензии повышали от 1,0 до 2,0% с интервалом в

0,5%. Измерение фракционного состава волокнистой суспензии проводили по стандартной методике [5]. При фракционировании применяли сита со следующими параметрами: сито № 1 - 30 нитей на дюйм (отверстие 0,595 мм), сито № 2 - 50 нитей на дюйм (0,297 мм), сито № 3 - 100 нитей на дюйм (0,149 мм).

Результаты исследований позволили установить влияние условий процесса размола (концентрация и степень помола) на фракционный состав целлюлозной (рис. 1) и макулатурной (рис. 2) суспензий.

Из рис. 1 и 2 видно, что при повышении на стадии размола концентрации волокнистой массы от 1,0 до 2,0% увеличивается содержание коротковолокнистой фракции, что объясняется рубкой волокон [1]. Резкое увеличение содержания мельштоффа при размоле макулатурной массы наблюдается в диапазоне от 30 до 40оШР (при всех рассматриваемых концентрациях). Следует отметить, что макулатурная масса, размолотая до 45оШР при концентрации 1,0%, обладает практически таким же фракционным составом, как и целлюлоза, размолотая до 60оШР при концентрации 2,0%.

На втором этапе исследовали влияние фракционного состава волокнистой суспензии на бумагообразующие свойства проклеенной

макулатурной и целлюлозной масс и физикомеханические показатели получаемых из них образцов бумаги. Для этого из 1,0, 1,5 и 2,0%-ной целлюлозной и макулатурной суспензий изготавливали образцы бумаги на листоотливном аппарате «Кар1^Кейеп» (фирма «Ег^ Н^е», Германия).

Для проклейки волокнистой суспензии в нейтральной среде применяли высокосмоляную ГМК в виде ТМАС-2Н. Проклейку волокнистой суспензии проводили в режиме гетероадагуляции пепти-зированных частиц [3]. После обезвоживания образцы бумаги сначала сушили при 105оС в течение

4 мин, а затем для спекания и плавления частиц проклеивающих комплексов [6, 7] их термообра-батывали при 125оС в течение 1 мин.

0 1020 304050607(080 90 Степень помола, оШР а

90 ^ 80

5 170 И 60

Л

,©: 50

К 40 £

* 30 И 20

о

и

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Степень помола, оШР б

0 10 20 3040 506070 80 90 Степень помола, оШР

Рис. 1. Зависимости фракционного состава целлюлозных волокон (кривые 1-4) от степени помола (°ШР) и концентрации волокнистой суспензии (С): а - С = 1,0%; б - С = 1,5%; в - С = 2,0%; 1 - крупная фракция; 2 - средняя фракция; 3 - мелкая фракция; 4 - мельштофф

0 102030405060708090 Степень помола, оШР

Рис. 2. Зависимости фракционного состава макулатурных волокон (кривые 1-4) от степени помола (оШР) и концентрации волокнистой суспензии (С): а - С = 1,0%; б - С = 1,5%; в - С = 2,0%; 1 - крупная фракция;

2 - средняя фракция; 3 - мелкая фракция; 4 - мельштофф

в

Испытания образцов бумаги проводили на комплексе приборов фирмы «ЬогеШгеп & Wettгe» (Швеция) путем определения прочности образцов бумаги по 180 1924-2 (разрывная длина, разрушающее усилие в сухом и во влажном состояниях) и гидрофобности по ГОСТ 12606-82Е (впиты-ваемость при одностороннем смачивании). Кроме

того, по стандартной методике [5] определяли степень удержания волокна в структуре образцов бумаги.

Физико-механические показатели образцов бумаги (70 г/м2) в зависимости от степени помола и концентрации волокнистой суспензии приведены в таблице.

Таблица

Физико-механические показатели образцов бумаги в зависимости от степени помола

и концентрации волокнистой суспензии

Степень помола, °ШР

Показатель 30 45 60 75

Целлюлозная суспензия

Разрушающее усилие в сухом состоянии, Н 4,2 6,5 8,4 7,4

Разрушающее усилие во влажном состоянии, Н 1,5 2,3 3,0 2,6

Разрывная длина, м 4010 6200 8000 7030

Впитываемость при одностороннем смачивании, г/м2 19 14 10 12

Степень удержания волокна, % 99 98 99 98

Целлюлозная суспензия

Разрушающее усилие в сухом состоянии, Н 4,4 6,3 8,3 6,7

Разрушающее усилие во влажном состоянии, Н 1,6 2,2 2,9 2,4

Разрывная длина, м 4110 6000 7900 6400

Впитываемость при одностороннем смачивании, г/м2 20 15 12 13

Степень удержания волокна, % 99 99 98 98

Целлюлозная суспензия

Разрушающее усилие в сухом состоянии, Н 4,2 5,8 8,1 6,1

Разрушающее усилие во влажном состоянии, Н 1,5 2,1 2,8 2,1

Разрывная длина, м 3930 5540 7700 5770

Впитываемость при одностороннем смачивании, г/м2 19 17 14 15

Степень удержания волокна, % 98 98 98 98

Макулатурная суспензия

Разрушающее усилие в сухом состоянии, Н 3,5 3,9 3,7 2,8

Разрушающее усилие во влажном состоянии, Н 1,2 1,4 1,3 1,0

Разрывная длина, м 3380 3800 3500 2730

Впитываемость при одностороннем смачивании, г/м2 25 21 17 19

Степень удержания волокна, % 98 98 99 98

Макулатурная суспензия

Разрушающее усилие в сухом состоянии, Н 2,5 3,2 3,3 2,7

Разрушающее усилие во влажном состоянии, Н 0,9 1,2 1,2 0,9

Разрывная длина, м 2420 3020 3200 2540

Впитываемость при одностороннем смачивании, г/м2 24 19 17 16

Степень удержания волокна, % 98 98 99 98

Макулатурная суспензия

Разрушающее усилие в сухом состоянии, Н 2,3 2,8 2,5 2,1

Разрушающее усилие во влажном состоянии, Н 0,8 1,0 0,9 0,8

Разрывная длина, м 2230 2640 2400 1990

Впитываемость при одностороннем смачивании, г/м2 23 21 18 19

Степень удержания волокна, % 97 97 96 96

Из таблицы видно, что гидрофобность и прочность образцов бумаги, изготовленных из целлюлозной суспензии, на 30-40% превышают аналогичные показатели качества по сравнению с макулатурной суспензией. Это можно объяснить повышенным содержанием в макулатурной суспензии мельштоффа и мелковолокнистой фракции. Так, например, при одинаковой степени помола (45оШР) в целлюлозной суспензии (рис. 1) присутствуют крупная, средняя, мелкая фракции и мельштофф в количестве 50, 15, 20 и 7% соответственно, в то время как в макулатурной суспензии - 55, 10, 5 и 25% соответственно. Получено, что снижение степени помола целлюлозной суспензии от 45 до 30оШР сопровождается увеличением содержания крупной фракции от 50 до 75% и снижением содержания средней фракции, мелкой фракции и мельштоффа от 15 до 8%, от 20 до 15% и от 7 до 4% соответственно. Аналогичная тенденция наблюдается при размоле макулатурной суспензии. Отличие состоит в ее фракционном составе; в макулатурной суспензии (45°ШР) присутствуют крупная, средняя, мелкая фракция и мельштофф в количестве 47, 13,

5 и 20% соответственно.

Экспериментальными данными установ-ленно, что повышение степени помола макулатурной суспензии от 45 до 75оШР приводит к снижению содержания крупной фракции от 55 до 20%, тогда как содержание средней фракции, мелкой фракции и мельштоффа возрастает от 10 до 18%, от 5 до 23% и от 25 до 40% соответственно.

Результаты исследований свидетельствуют о существенном влиянии размола на бумагообразующие свойства целлюлозной и макулатурной суспензии. Из таблицы видно, что увеличение степени помола волокнистой суспензии от 30 до 75оШР при одновременном повышении ее концентрации от 1,0 до 2,0% приводит сперва к повышению прочности и гидрофобности образцов бумаги на 18% (30-50оШР), а затем к снижению этих показателей на 6% (50-75оШР).

Заключение. Таким образом, установлены зависимости влияния условий процесса размола целлюлозной и макулатурной масс на свойства образцов бумаги, проклеенных в режиме гетероа-дагуляции пептизированных частиц. Показано, что для повышения качества (гидрофобность и прочность) клееных видов бумаги необходимо увеличивать долю крупной и средней фракции. Это достигается управлением такими основными факторами процесса размола, как концентрация и степень помола.

Литература

1. Фляте, Д. М. Свойства бумаги / Д. М. Фля-те. - М.: Лесная пром-сть, 1970. - 456 с.

2. Черная, Н. В. Технология канифольной проклейки бумаги и картона в нейтральной среде в режиме гетероадагуляции / Н. В. Черная // Материалы. Технологии. Инструменты. -2005. - Т. 10, № 4. - С. 67-71.

3. Черная, Н. В. Влияние канифольной проклейки на качество бумаги и картона / Н. В. Черная // Вес. Нац. акад. навук Беларусь Сер. хім. навук. - 2006. - № 1. - С. 111-115.

4. Черная, Н. В. Проклеивающие свойства продуктов модификации талловой и живичной канифоли / Н. В. Черная // Вес. Нац. акад. навук Беларусь Сер. хім. навук. - 2003. - № 2. -С.88-90.

5. Лабораторный практикум по целлюлозно-бумажному производству: учеб. пособие для ВУЗов / С. Ф. Примаков [и др.]. - М.: Лесная пром-сть, 1980. - 168 с.

6. Способ получения клеевой композиции для проклейки бумаги и картона: пат. 2820 Респ. Беларусь, МКИ Б 21 Н 11/00, 17/62, Б 21 Н 21/16 // С 09 I 193/04, С 09 Б 1/4 / А. И. Ла-моткин [и др.]; заявитель и патентообладатель БГТУ. - Заявл. 22.08.1997; опубл. 31.12.1998.

7. Бумажная масса: пат. 2816 Респ. Беларусь, МКИ Б 21 Н 11/00, 17/62, С 09 I 193/04. / А. И. Ламоткин [и др.]; заявитель и патентообладатель БГТУ. - Заявл. 22.08.1997; опубл. 31.12.1998.