Использование наполнителей в технологии газетной бумаги

УДК 676.222:676.024.73

А. А. Пенкин, ассистент (БГТУ); О. А. Новосельская, ассистент (БГТУ);

А. А. Князев, студент (БГТУ); Т. А. Снопкова, науч. сотрудник (БГТУ);

Т. В. Соловьева, профессор

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАПОЛНИТЕЛЕЙ В ТЕХНОЛОГИИ ГАЗЕТНОЙ БУМАГИ

Исследовано влияние вида и расхода наполнителя на степень их удержания в газетной бумаге, ее оптические и физико-механические показатели. В экспериментальных исследованиях использованы два вида наиболее широко распространенных наполнителей - каолин и мел. Установлено, что степень удержания мела и каолина в композиции газетной бумаги составляет в среднем 60-65%. Применение наполнителей с расходом до 15% от а. с. в. привело к повышению белизны бумаги с 54 до 58-60%. Использование мела и катионного крахмала, вводимого в бумажную массу после коагулянта, позволило повысить белизну газетной бумаги на 4% и заменить до 8% волокна без ухудшения ее механической прочности.

На основании результатов проведенных исследований для опытно-промышленной апробации в технологии газетной бумаги рекомендуется проводить наполнение бумажной массы в нейтральной среде карбонатным наполнителем в виде мела (расход до 15 % от а. с. в.) и в качестве вспомогательной добавки использовать катионный крахмал (расход 0,75% от а. с. в.) с молекулярной массой 1,090 • 106 г/моль и степенью замещения 0,047, дозируя его в бумажную массу после введения полиоксихлорида алюминия (расход 0,5% от а. с. в.).

Kind and consumption influence of fillers for its retention in a newsprint paper, optical and dry-strength of a newsprint paper is investigated. In experimental researches following kinds of the most widespread fillers are used: clay and ground calcium carbonate filler (chalk). It is found, that retention of a chalk and clay in composition of newsprint paper averages 60-65%. Use of a chalk and cationic starch entered into paper furnish after coagulant, has allowed to increase a newsprint whiteness on 4% and to replace to 8% of a fiber without deterioration of its mechanical durability.

On the basis of results of the present researches for trial approbation in technology of a newsprint paper it is recommended: filling of a newsprint paper with a chalk; consumption of filler up to 15%; as the dry-strength additive to use cationic starch with molecular weight 1,090 • 106 g/mol and degree of substitution 0,047 with the consumption of 0,75% from a fiber; introduction of cationic starch in paper furnish after dispensing in it coagulant.

Введение. Газетная бумага в настоящее время относится к наиболее массовым печатным видам бумаги. На ее долю приходится более 70% мирового объема выпускаемой бумаги для печати. В абсолютном выражении это составляет около 35 млн. т бумаги в год [1].

Производство печатных видов бумаги неразрывно связано с применением наполнителей, которые в значительной степени повышают их печатные свойства - белизну, непрозрачность, красковосприятие и др. Кроме того, наполнители позволяют снизить содержание в композиции бумаги дорогостоящих волокнистых полуфабрикатов [2, 3]. Все свойственные наполнителям положительные аспекты могут иметь место и в производстве газетной бумаги. Это определило направление настоящей работы, целью которой являлось исследование эффективности применения наполнителей в технологии газетной бумаги.

Основная часть. В качестве наполнителей для газетной бумаги были приняты два вида наиболее широко распространенных наполнителей - каолин и мел. Каолин используется при производстве бумаги в кислой среде, мел -в нейтральной и слабощелочной. При изготов-

лении газетной бумаги в кислой среде с применением каолина в качестве традиционного коагулянта использован сульфат алюминия с расходом 1,0% от а. с. в. При изготовлении бумаги в нейтральной среде с мелом в качестве коагулянта использован полиоксихлорид алюминия с расходом 0,5% от а. с. в. Применение этого коагулянта обусловлено тем, что он в меньшей степени снижает рН бумажной массы и не вызывает тем самым разложение карбоната кальция. Так, рН волокнистой массы, содержащей только сульфат алюминия, составил 6,3, а содержащей полиоксихлорид алюминия - 6,9.

Оба наполнителя, как свидетельствует их техническая характеристика, представленная в табл. 1, обладают близкими оптическими свойствами и гранулометрическим составом.

Известно, что применение наполнителей в технологии бумаги приводит к уменьшению показателей механической прочности бумаги [4]. Одной из наиболее распространенных в настоящее время полифункциональных добавок, позволяющих повысить прочность бумаги, является катионный крахмал [5, 6], который также используется в композиции газетной бумаги.

Таблица 1

Техническая характеристика наполнителей

Наименование показателя Вид наполнителя

Каолин

Белизна, % 83 ± 1 80 ± 1

Содержание частиц размером менее, %: - 10 мкм 91,7 94,8

- 5 мкм 81,5 78,4

- 2 мкм 68,2 46,8

В настоящей работе взамен одного из применяемых в промышленном производстве газетной бумаги крахмалов (крахмал марки «НьСа1 С 323 А» с молекулярной массой 0,620 • 106 г/моль и степенью замещения 0,035) использован катионный крахмал марки «Ашугах Н8» с молекулярной массой 1,090 • 106 г/моль и степенью замещения 0,047, показавший наилучшее упрочняющее и обезвоживающее действие в композиции бумажной массы из 100%-ного термомеханического волокна. Расход крахмала, ввиду использования в композиции газетной бумаги наполнителей, способных вызвать уменьшение ее прочности, составил несколько большее значение (0,75% от а. с. в.) по сравнению с расходом, применяемым в производстве газетной бумаги без ее наполнения (0,5-0,6% от а. с. в.).

Катионный крахмал при изготовлении газетной бумаги вводили в волокнистую массу после дозирования в нее коагулянта. Такая особенность применения катионного крахмала, согласно нашим исследованиям, позволяет повысить его упрочняющее действие на 15% по сравнению с обратным порядком его применения.

На рис. 1 показано влияние расхода наполнителей на их содержание в газетной бумаге.

Расход наполнителя, % от а. с. в.

Мел  Каолин

Рис. 1. Влияние расхода наполнителей на их содержание в газетной бумаге

Из рис. 1 видно, что мел и каолин при расходах до 15 % от а. с. в. обеспечивают практически равное содержание наполнителя. Это, по-видимому, связано с их близкими значениями степени удержания в композиции газетной бумаги, представленными в табл. 2.

Таблица 2 Влияние расхода наполнителей на степень их удержания в газетной бумаге

Вид наполнителя Степень удержания наполнителя при его расходе (% от а. с. в.), %

5 10 15

Мел 66,6 65,6 59,0

Каолин 64,8 59,8 58,7

Так, степень удержания мела и каолина, согласно данным табл. 1, составляет в среднем 60-65%. При этом оба исследуемых наполнителя в бумажной массе на основе волокна, получаемого термомеханическим способом, проявляют хорошо известную для других волокнистых полуфабрикатов тенденцию к уменьшению степени их удержания с повышением расхода. Близкие значения степени удержания обоих наполнителей могут быть объяснены близостью их гранулометрических составов (табл. 1).

На рис. 2 представлено влияние содержания наполнителей в газетной бумаге на ее белизну.

Содержание наполнителя, % а Мел  Каолин

Рис. 2. Влияние содержания наполнителей в газетной бумаге на ее белизну

Из рис. 2 видно, что повышение содержания наполнителей в газетной бумаге до 9% привело к увеличению ее белизны с 53,8% до 58,0-59,5%. При этом белизна бумаги в случае каолина при его содержании около 9% выше по сравнению с мелом на 1,5%. Это можно объяснить как более высокой белизной каолина (табл. 1), так и пластинчатой формой его частиц, которая, как

известно, способствует более интенсивному повышению белизны бумаги.

Тем не менее применение карбонатного наполнителя - мела, обладающего буферными свойствами, может оказать не менее важное действие на оптические свойства газетной бумаги из термомеханической массы, а именно, повысить стабильность ее белизны.

На рис. 3 представлено влияние содержания наполнителей в газетной бумаге на ее непрозрачность.

Содержание наполнителя, %

^ Мел  Каолин

Рис. 3. Влияние содержания наполнителей в газетной бумаге на ее непрозрачность

Из рис. 3 видно, что эффективность применения наполнителей для улучшения непрозрачности газетной бумаги менее выражена по сравнению с их использованием для повышения белизны. Прирост непрозрачности газетной бумаги, как видно из представленных данных, составил около 1%. Это можно объяснить высокой исходной непрозрачностью газетной бумаги, обусловленной большим содержанием в термомеханической массе коротких (длиной менее 0,15 мм) волокон, обладающих хорошим светорассеянием. Так, используемая термомеханическая масса из древесины ели при степени помола в 70°ШР содержит до 36% волокон длиной менее 0,15 мм.

Наряду с положительным действием наполнителей на оптические свойства газетной бумаги (рис. 2 и 3), как мел, так и каолин могут вызвать нежелательное уменьшение ее механической прочности [7]. На рис. 4 представлено влияние содержания наполнителей в газетной бумаге на ее разрывную длину. При этом горизонтальная пунктирная линия отражает уровень показателя разрывной длины бумаги (3,5 км), изготовленной с применением крахмала марки «НьСа1 С 323 А» с расходом 0,5 % от а. с. в.,

вводимого в бумажную массу перед дозированием в нее сульфата алюминия - контрольный вариант.

Из рис. 4 видно, что разрывная длина газетной бумаги выше при ее изготовлении в нейтральной среде с применением мела (рН = 7,3), чем в слабокислой с использованием каолина (рН = 6,4). Более того, с увеличением расхода мела наблюдается менее интенсивное уменьшение разрывной длины бумаги. Все это делает мел предпочтительным наполнителем для использования в технологии газетной бумаги в присутствии катионного крахмала.

Содержание наполнителя, %

А Мел  Каолин

Рис. 4. Влияние содержания наполнителей в газетной бумаге на ее разрывную длину

Как видно из представленных графических зависимостей, контрольному значению разрывной длины газетной бумаги в 3,5 км соответствует содержание мела около 8%. Следовательно, такое количество термомеханического волокна может быть заменено без уменьшения разрывной длины газетной бумаги мелом.

Таким образом, использование в технологии газетной бумаги мела и катионного крахмала, вводимого в бумажную массу после коагулянта, позволило повысить белизну бумаги на 4% и заменить до 8% волокна без ухудшения ее механической прочности.

Заключение. На основании результатов проведенных исследований для опытно-промышленной апробации в технологии газетной бумаги рекомендуется проводить наполнение бумажной массы в нейтральной среде карбонатным наполнителем в виде мела (расход до 15% от а. с. в.) и в качестве вспомогательной добавки использовать катионный крахмал (расход 0,75% от а. с. в.) с молекулярной массой 1,090 • 106 г/моль и степенью замещения 0,047, дозируя его в бумажную массу после введения полиоксихлорида алюминия (расход 0,5% от а. с. в.).

Литература

1. Технология целлюлозно-бумажного производства: в 3 т. / редкол.: П. Осипов (гл. ред.) [и др.]. - СПб.: Политехника, 2002-2006. -Т. 2: Производство бумаги и картона. Ч. 2: Основные виды и свойства бумаги, картона, фибры и древесных плит / М. Остреров [и др.]. -2006. - 499 с.

2. Фляте, Д. М. Свойства бумаги / Д. М. Фля-те. - 3-е изд. - М.: Лесная пром-сть, 1986. -680 с.

3. Иванов, С. Н. Технология бумаги / С. Н. Иванов. - 3-е изд. - М.: Школа бумаги, 2006. - 696 с.

4. Технология целлюлозно-бумажного производства: в 3 т. / редкол.: П. Осипов [и др.]. -СПб.: Политехника, 2002-2006. - Т. 2: Производство бумаги и картона. Ч. 1: Технология

производства и обработки бумаги и картона /

В. Комаров [и др.]. - 2005. - 423 с.

5. Опыт использования катионного крахмала при производстве бумаги для гофрирования и картона для плоских слоев из 100% макулатуры / В. А. Стрекаловский [и др.] // Целлюлоза. Бумага. Картон. - 2002. - №№ 7-8. - С. 22-25.

6. Влияние степени замещения катионного крахмала на прочность бумаги / А. А. Копыль-цов [и др.] // Целлюлоза. Бумага. Картон. -2006. - № 10.- С. 48-51.

7. Половинкин, В. Л. Минеральные наполнители и прочностные свойства бумаги /

В. Л. Половинкин, С. В. Благодатских. - М: ВНИПИЭИлеспром, 1975. - 24 с. (Обзорная информация / Всес. науч.-иссл. и проектн. ин-т экономики, организ. управл. производст. и ин-форм. лесн. цел.-бум. и деревообр. пром-сти).

Поступила 26.03.2010