Способ введения наполнителя при аэродинамическом формовании бумаги
METHOD OF INTRODUCING FILLER IN AERODYNAMIC PAPER FORMING

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности и предназначено для нанесения наполнителя в качестве покрытия на одну сторону полотна бумаги при производстве бумаги аэродинамическим способом формования с целью повышения оптических свойств бумаги (белизны и непрозрачности) и печатных свойств бумаги (стойкости к выщипыванию и гладкости). Бумага с односторонним мелованным слоем используется при изготовлении, например, афиш и этикеток.
Известен аэродинамический способ изготовления бумаги для глубокой печати (патент RU 2100508, D21H 27/00, 27/10, D21F 11/00, D21B 1/00, опубл. 08.12. 94, пример 4, 5), включающий увлажнение целлюлозной папки до влажности 50% масс. водным раствором полиакриламида концентрацией 0.1% масс., диспергирование папки до образования волокнистой аэровзвеси, смешение аэровзвеси волокон целлюлозы с аэровзвесью наполнителя, обработанного канифольным клеем в количестве 0.5% масс., формование бумажного полотна, его увлажнение водой, прессование и сушку.
Удержание наполнителя в волокнистом слое составляет не более 80%. Наполнитель не образует на поверхности листа мелованного слоя, так как равномерно распределен в структуре бумаги. Бумага предназначена для использования в качестве типографской, обойной бумаги и упаковочного картона и по показателям качества не соответствует мелованной бумаге.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ введения наполнителя в бумагу (патент RU 2426828, D21H 11/00, 17/69, 17/25, 17/28, 21/10, 21/14, 21/20, 23/02, 27/00, опубл. 20.08.2011, пример 3 - прототип, авторов Малиновской Г.К., Литвиновой Л.В., Дробосюка В.М.). При аэродинамическом формовании бумаги из природных волокон и наполнителя целлюлозосодержащий полуфабрикат в виде воздушно-сухих листов целлюлозы увлажняют водой до влажности 48-50%. Наполнитель (мел) модифицируют водным раствором натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (NaКМЦ). Мел при интенсивном перемешивании добавляют в водный раствор NaКМЦ, концентрацией 0,5-1.0% до получения пастообразной массы при массовом соотношении мела и NaКМЦ, 100: 1-2. Продукт взаимодействия мела с водным раствором NaКМЦ (далее, модифицированный мел) подвергают сушке и измельчают в порошок. Полученный порошок вводят в диспергатор вместе с целлюлозным материалом при аэроформовании волокнистого слоя. Количество мела, подаваемого в диспергатор в виде порошка, составляет 10-30% от массы воздушно-сухих целлюлозных волокон. Сформованный волокнистый слой увлажняют водным раствором крахмала концентрацией 0.7-1.3% между двух сукон, прессуют, сушат. Бумага предназначена для производства печатных видов бумаги аэродинамическим способом формования, но качественные показатели не отвечают требованиям, предъявляемым к мелованным видам бумаги.
На формующей сетке при производстве бумаги методом аэродинамического формования образуется волокнистый слой с равномерно распределенными по толщине слоя частицами модифицированного мела, так как в диспергаторе произошло смешение мела с отдельными волокнами. Мелованный слой на поверхности бумаги не образуется. Введение наполнителя в структуру полотна бумаги придает бумаге белизну и непрозрачность, необходимые для использования в качестве печатной бумаги. Однако качество бумаги не соответствует требованиям, предъявляемым к мелованным видам бумаги по стойкости к выщипыванию и гладкости поверхности.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является придание бумаге стойкости к выщипыванию и гладкости за счет образования поверхностного слоя из модифицированного мела и обработки волокнистого слоя с покрытием водным раствором крахмала при одновременном увеличении белизны и непрозрачности.
Мел обладает природной высокой белизной и высоким коэффициентом преломления света, что обеспечивает диффузное отражение света поверхностью бумаги с поверхностным слоем из модифицированного мела (белизна и непрозрачность). Образование сомкнутого поверхностного слоя из модифицированного мела на волокнистом слое, обработанного водным раствором крахмала, препятствует прохождению потока воздуха сквозь испытуемый образец бумаги, что положительно влияет на показатель воздухопроницаемости и шероховатости поверхности, характеризующей гладкость. Поверхностный слой из модифицированного мела после обработки водным раствором крахмала обладает повышенными адгезионными силами в бумаге, чем работа разрыва красочного слоя при печати, таким образом, обеспечивая прочность поверхности к выщипыванию.
2
Поставленная задача решается тем, что в способе введения наполнителя при аэродинамическом формовании бумаги проводят обработку продуктом взаимодействия мела с водным раствором натрий карбоксиметилцеллюлозы, увлажняют целлюлозный полуфабрикат водой до влажности 48-50%, проводят разделение полученного полуфабриката до образования влагонасыщенной аэровзвеси волокон с последующим формованием волокнистого слоя, который увлажняют между двух сукон водным раствором крахмала концентрацией 0.9-1.1% с последующим прессованием и сушкой полотна бумаги, причем обработку продуктом взаимодействия мела размером частиц 4.5-5.5 мкм с водным раствором натрий карбоксиметилцеллюлозы осуществляют напылением из расчета 10-40 г/м на одну из поверхностей сформованного волокнистого слоя перед стадией увлажнения.
2
2
Напыление модифицированного мела на поверхность осуществляют для полуфабриката лиственной целлюлозы при массе волокнистого слоя не менее 40 г/м, для полуфабриката хвойной целлюлозы при массе волокнистого слоя не менее 60 г/м.
В качестве наполнителя используют химически осажденный мел с узким распределением частиц по размеру (4.5-5.5 мкм), обработанный водным раствором натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы. Водорастворимое связующее (катионный крахмал) используют для двухстороннего увлажнения полотна бумаги через сукна, что обеспечивает высокую адгезию покрытия к основе. Целлюлозосодержащим полуфабрикатом может являться целлюлоза хвойных или лиственных пород древесины.
Напыление слоя модифицированного мела на сформованный волокнистый слой осуществляют аэродинамическим формованием согласно технологии производства бумаги.
3
2
Формование волокнистого слоя из целлюлозного полуфабриката осуществляют в потоке влагонасыщенного воздуха путем осаждения влажных индивидуальных волокон на формующую сетку. На сформованный волокнистый слой плотностью 60-100 г/м наносят модифицированный мел из расчета 10-40 г/м равномерным напылением частиц мела на поверхность с образованием мелованного слоя. Напыление частиц мела осуществляют с помощью устройства, например, диспергатора, используемого в способе аэродинамического формования бумаги (Пат. №2154706 РФ. Заявл. 16.11.1998; опубл. 20.08.2000. Бюл. №23.) Значение зольности бумаги и массы мела на метр квадратный поверхности волокнистого слоя задают количеством мела, загруженного в диспергатор. Удержание мела с размером частиц 4.5-5.5 мкм на поверхности слоя волокон зависит от веса квадратного метра волокнистого слоя и от средней ширины волокон (см. далее в примерах табл. 2).
При определенном значении веса квадратного метра волокнистого слоя средний размер сквозных межволоконных пор становится меньше среднего диаметра частиц наполнителя. В этом случае удержание наполнителя приближается к 100%, что позволяет проводить аэродинамическое мелование волокнистого слоя.
Увлажнение волокнистого слоя со слоем модифицированного мела на одной из поверхностей полотна бумаги перед прессованием проводят водным раствором катионного крахмала концентрацией 0.9-1,1%. Получают мелованную бумагу, качество которой определяют по соответствующим ГОСТам (см. далее в табл. 3).
2
2
Для образцов из хвойного полуфабриката с массой волокнистого слоя 60 г/м и наибольшей массой мелованного слоя 40 г/м при зольности 30% проводят увлажнение водным раствором крахмала с концентрацией 0.9%, 1.0%, 1.1% для выбора оптимальной концентрации раствора крахмала, пригодной для проведения всех экспериментов (см. табл. 1). По результатам действия водного раствора крахмала на стойкость поверхностного слоя к выщипыванию выбрана оптимальная концентрация раствора крахмала, равная 1.0%. Использование концентрации водного раствора крахмала 0.7% нецелесообразно ввиду того, что показатель стойкости поверхности к выщипыванию ниже (см. табл. 1, №а). Увеличение концентрации водного раствора крахмала до 1.3% технологически не оправдано (см. табл. 1, №д), так как стойкость поверхности к выщипыванию соответствует концентрации водного раствора крахмала 1.0% (см. табл. 1, п.б).
В табл. 2 представлены среднестатистические значения размера межволоконных пор в зависимости от метра квадратного волокнистого слоя. Средние значения ширины и толщины волокон лиственной целлюлозы составляют 40 мкм и 3 мкм соответственно. Средние значения ширины и толщины волокон хвойной целлюлозы 10 мкм и 5 мкм соответственно.
В табл. 2 приведены рассчитанные размеры межволоконных пор в зависимости от грубости волокон и массы метра квадратного сформованного волокнистого слоя.
Принято, что грубость волокон лиственных пород древесины составляет ≈20 мг/100 м, хвойных пород древесины ≈30 мг/100 м (Дж. Кларк. Технология целлюлозы. Пер. с англ. - М.: Лесная промышленность, 1983. - С. 233-246).
2
2
2
2
Проскок частиц мела со средним размером 5 мкм сквозь волокнистый слой на формующей сетке отсутствует для образцов из полуфабриката лиственной целлюлозы (табл. 2, строка А) при массе слоя 40 г/м и выше, для образцов из полуфабриката хвойной целлюлозы (табл. 2 строка Б) - при массе слоя 60 г/м и выше. При массе волокнистого слоя хвойной целлюлозы 50 г/м размер межволоконных пор составляет 8 мкм. Частицы мела среднего размера 5 мкм не задерживаются на поверхности волокнистого слоя, а просасываются внутрь сформованного слоя волокон и могут проскакивать через межволоконные поры за счет выноса частиц потоком воздуха, проходящим через полотно бумаги при напылении модифицированного мела в процессе аэродинамического формования. Мелованный слой на поверхности полотна бумаги не образуется, частицы мела проходят сквозь поры и распределяются в объеме волокнистого слоя. При массе волокнистого слоя хвойной целлюлозы 60 г/м размер межволоконных пор составляет 4,8 мкм, частицы модифицированного мела со средним размером 5 мкм задерживаются на поверхности волокон и покрывают волокнистый слой с образованием мелованного слоя.
Предложенный способ осуществляют следующим образом.
Пример 1. Наполнитель (мел) обрабатывают водным раствором натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы при тщательном перемешивании до образования однородной массы в виде пасты. На 100  мас. ч. мела берут 230  мас. ч. воды и 1.0  мас. ч. NaКMЦ. Модифицированный мел сушат, измельчают и отбирают фракцию с размером частиц 4.5-5.5 мкм. Целлюлозный полуфабрикат равномерно увлажняют водой до влажности 48-50%.
2
2
На установке аэродинамического формования бумаги периодического действия полуфабрикат хвойной целлюлозы с грубостью волокон 30 мг/100 м разделяют в диспергаторе на волокна до образования волокнистой аэровзвеси, аэровзвесь волокон формуют на сетке с образованием волокнистого слоя массой 60 г/м. На волокнистый слой напыляют слой модифицированного мела в количестве, обеспечивающем содержание золы в бумаге 10%, при этом масса нанесенного на одну сторону бумаги покрытия из частиц модифицированного мела составляет 10 г/м. Волокнистый слой с поверхностным слоем модифицированного мела увлажняют между двух сукон водным раствором крахмала концентрацией 1.0%, прессуют и сушат. Результаты испытаний приведены в табл. 3, №1.
2
Пример 2. Способ осуществляют по примеру 1, но масса нанесенного на одну сторону бумаги покрытия из частиц модифицированного мела составляет 25 г/м при зольности 20% (табл. 3, №2).
2
Пример 3. Способ осуществляют по примеру 1, но масса нанесенного на одну сторону бумаги покрытия из частиц модифицированного мела составляет 40 г/м при зольности 30% (табл. 3, №3).
2
2
Пример 4. Способ осуществляют по примеру 1, но на сетке формуют аэровзвесь волокон с образованием волокнистого слоя массой 40 г/м (контрольный опыт), масса нанесенного на одну сторону бумаги покрытия из частиц модифицированного мела составляет 40 г/м при зольности 30% (табл. 3, №4).
2
2
Пример 5. Способ осуществляют по примеру 1, но на сетке формуют аэровзвесь волокон с образованием волокнистого слоя массой 80 г/м (контрольный опыт), масса нанесенного на одну сторону бумаги покрытия из частиц модифицированного мела составляет 40 г/м при зольности 30% (табл. 3, №5).
Пример 6. Способ осуществляют по примеру 3, но волокнистый слой с поверхностным слоем модифицированного мела увлажняют между двух сукон водным раствором крахмала концентрацией 0.9% (табл. 3, №6).
Пример 7. Способ осуществляют по примеру 3, но волокнистый слой с поверхностным слоем модифицированного мела увлажняют между двух сукон водным раствором крахмала концентрацией 1.1% (табл. 3, №7).
2
Пример 8. Способ осуществляют по примеру 1, но в качестве целлюлозного полуфабриката используют целлюлозу лиственных пород древесины и на сетке формуют аэровзвесь волокон с образованием волокнистого слоя массой 40 г/м (табл. 3, №8).
2
Пример 9. Способ осуществляют по примеру 2, но в качестве целлюлозного полуфабриката используют целлюлозу лиственных пород древесины и на сетке формуют аэровзвесь волокон с образованием волокнистого слоя массой 40 г/м (табл. 3, №9).
2
Пример 10. Способ осуществляют по примеру 3, но в качестве целлюлозного полуфабриката используют целлюлозу лиственных пород древесины и на сетке формуют аэровзвесь волокон с образованием волокнистого слоя массой 40 г/м (табл. 3, №10).
Пример 11. Способ осуществляют по примеру 3, но в качестве целлюлозного полуфабриката используют целлюлозу лиственных пород древесины (табл. 3, №11 - контрольный опыт).
Пример 12-14. Бумагу изготавливают по способу-прототипу.
Испытания образцов бумаги, полученных по предлагаемому способу и способу-прототипу                       , приведены в табл. 3.
Из данных табл. 3 видно, что белизна бумаги из полуфабриката хвойной целлюлозы (табл. 3, №1/1-5/1) для равных содержаний золы в бумаге значительно выше, чем белизна бумаги, полученной по способу-прототипа (табл. 3, №12-14). Удержание наполнителя при одностороннем нанесении модифицированного мела составило 100%, что выше показаний способа-прототипа для образцов бумаги из полуфабриката хвойной целлюлозы. Поверхностное мелование снижает воздухопроницаемость образцов бумаги из полуфабрикатов лиственной (табл. 3, №8-11) и хвойной целлюлоз (табл. 3, №1/1-3/1) по сравнению (для хвойной целлюлозы) с введением наполнителя в объем листа (табл. 3, №12-14) при равных значениях зольности. По мере увеличения зольности и массы метра квадратного бумаги значение воздухопроницаемости бумаги снижается (табл. 3, №1/1-5/1; №8-11).
Показатель стойкости поверхности к выщипыванию является определяющим в оценке пригодности мелованной бумаги для печати. Прочность к выщипыванию поверхности бумаги определяли по ГОСТ 24356-80. При внесении модифицированного мела по предлагаемому способу и увлажнении волокнистого слоя водным раствором крахмала концентрацией 1% стойкость поверхности к выщипыванию очень высокая: волокон, оторвавшихся от поверхности мелованного слоя, не зафиксировано.
Таким образом, предлагаемый способ введения наполнителя при аэродинамическом формовании бумаги напылением частиц модифицированного мела на сформованный волокнистый слой позволяет получать покрытие с высокими показателями по белизне, непрозрачности, стойкости к выщипыванию и с высокой степенью удержания наполнителя. Воздухопроницаемость и шероховатость бумаги, характеризующая ее гладкость, с поверхностным мелованным слоем значительно ниже по сравнению с введением наполнителя в объем бумаги.