Ресурсосберегающая технология бумаги для печати с максимальным использованием в ее композиции макулатурного сырья

маг. Костюкевич А.В., асп. Чубис П.А., д.т.н. Черная Н.В.

Учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет»

Ресурсосберегающая технология бумаги для печати

с максимальным использованием в ее композиции макулатурного сырья

Расширение объемов производства бумаги для печати требует комплексного решения технологических и экономических задач, направленных на улучшение качества готовой продукции и снижение ее себестоимости за счет экономии дорогостоящего природного растительного сырья – целлюлозы.

Существующая технология изготовления бумаги для печати основана на применении в ее композиции беленых видов целлюлозы, обладающих высокими бумагообразующими и печатными свойствами. Однако для экономии ценного волокнистого полуфабриката и снижения себестоимости этого вида продукции целесообразно заменять часть целлюлозы более дешевым волокнистым сырьем – макулатурой. В то же время применение макулатуры в композиции бумаги для печати связано с такими трудностями, как снижение физико-механических показателей качества готовой продукции, повышение расхода проклеивающих веществ и коагулянта, унос мелковолокнистой фракции макулатуры (мельштоффа) [1] в подсеточную часть бумагоделательной машины.

К перспективным способам решения указанных проблем при производстве бумаги для печати относится способ, основанный на изготовлении бумаги с максимальным содержанием макулатурной массы, или же на полной замене целлюлозных волокон макулатурными. При этом наблюдается тенденция замены нейтральных гидродисперсий модифицированной канифоли (ГМК), традиционно применяемых при проклейке в кислой среде (рН 4,8–5,2), на высокосмоляные гидродисперсии, в частности ТМАС-3Н, использование которых позволяет провести процесс проклейки в нейтральной среде (рН 6,5–7,2) [2]. При производстве такой бумаги достигается экономия целлюлозы, а применение новой высокосмоляной гидродисперсии обеспечивает поддержание физико-механических показателей прочности на необходимом уровне и позволяет уменьшить расходы ГМК и коагулянта (сульфата алюминия) [3].

Цель работы – разработка ресурсосберегающей технологии бумаги для печати с максимальным использованием в ее композиции макулатурного сырья на основе изучения влияния композиционного состава и условий проклейки на бумагообразующие свойства макулатурной массы и физико-механические показатели получаемой из нее бумаги.

Для достижения поставленной цели были изготовлены и испытаны по стандартным методикам образцы бумаги из макулатуры марки МС-1А (ГОСТ 10700-97), целлюлозы сульфитной беленой из хвойной древесины марки С-1 (ГОСТ 3917-74) и целлюлозы сульфатной беленой из смеси лиственных пород древесины марки Л-0 (ГОСТ 28172-89). В качестве проклеивающих материалов использовали укрепленный клей марки ЖМ (ТУ РБ 0028198-017-95) и клеевую канифольную композицию ТМАС-3Н (ТУ РБ 600012243.020-2003). В качестве коагулянта применялся сульфат алюминия технический очищенный (ГОСТ 12966-85). При изготовлении образцов бумаги были дополнительно использованы натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (NаКМЦ) техническая марки 75/400 (ТУ РБ 00204056.150-3-98), каолин обогащенный марки КПФ-90-1 (ТУ 21.133-97), отбеливатель «Белофор» жидкий (ТУ 6-38-05800142-728-95).

Работу проводили в три этапа. На первом этапе изготавливали образцы бумаги для печати по существующей технологии, и проводили измерение их физико-механических показателей качества. На следующем этапе работы изготавливали образцы, содержащие в композиции как макулатурные, так и целлюлозные волокна, для определения влияния композиционного состава на физико-механические показатели бумаги для печати. На завершающем этапе работы для изучения влияния расхода ГМК на бумагообразующие свойства макулатурного сырья изготавливали образцы из 100% макулатуры, после чего проводили сравнение их физико-механических показателей качества с показателями качества бумаги, изготовленной по существующей технологии.

Сначала были изготовлены образцы бумаги (80 г/м²) по существующей технологии. Степень помола 1%-ной волокнистой массы, содержащей волокна макулатуры и хвойной целлюлозы, составляла 43ºШР. В волокнистую массу последовательно добавляли расчетные количества ГМК (в виде 2%-ной эмульсии), 10%-ной суспензии наполнителя, 1%-ого раствора отбеливателя и 2%-ого раствора NаКМЦ. После тщательного перемешивания осуществляли процесс коагуляции путем дозирования 10%-ого раствора сульфата алюминия, исходя из соотношения ГМК : коагулянт – 1 : 2,5. На протяжении 10 мин дисперсную систему тщательно перемешивали. Расход сырья и химикатов на изготовление образцов бумаги для печати по существующей технологии приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Расходы сырья и химикатов на производство бумаги для печати по существующей технологии

Сырье и химикаты	Расход
Целлюлоза беленая лиственная, %	50
Целлюлоза беленая хвойная, %	50
Каолин, % от абс. сух. волокна (10%-ная суспензия)	16
ГМК, % от абс. сух. волокна	2,0
Сульфат алюминия, % от абс. сух. волокна	5,4
NaКМЦ, % от абс. сух. волокна	0,21
Отбеливатель, % от абс. сух. волокна	0,1

На следующем этапе были изготовлены образцы, содержащие в композиции как целлюлозные, так и макулатурные волокна. Причем содержание макулатурных волокон повышалось и составляло 20, 40, 60, 80, 100% соответственно. Расход ГМК, каолина, отбеливателя, и NaКМЦ, последовательность дозировки химикатов оставались такими же, как и при изготовлении образцов по существующей технологии, а расход сульфата алюминия был уменьшен до 5,0% от абс. сух. волокна [4].

Для изучения влияния расхода ГМК на бумагообразующие свойства макулатурного сырья были изготовлены образцы бумаги для печати из 100% макулатуры. Расход ГМК повышали от 0,5 до 2,5% с интервалом в 0,5%, а сульфата алюминия – от 1,25 до 6,25% с интервалом в 1,25% от абс. сух. волокна, соответственно. Расходы остальных химикатов принимались равными расходам при изготовлении образцов бумаги для печати по существующей технологии. Результаты испытаний образцов бумаги для печати, изготовленных по существующей технологии, приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Показатели качества образцов бумаги для печати, изготовленных по существующей технологии

Наименование показателя	Значение показателя
Разрывная длина, м	4700
Влагопрочность, %	3,5
Впитываемость при одностороннем смачивании, г/м²	24
Сопротивление излому, ч.д.п.	35
Зольность, %	11

Результаты испытаний образцов бумаги для печати, изготовленных с различным содержанием макулатурной массы, представлены в таблице 3.

Получено, что при увеличении процентного содержания макулатуры в композиции бумаги для печати разрывная длина сначала увеличивается от 4740 до 4810 м, а затем уменьшается до 4580 м. Влагопрочность сперва увеличивается от 3,1 до 3,3%, а затем уменьшается до 2,8%. Это объясняется тем, что мельштофф макулатурной массы повышает прочность бумаги для печати, заполняя пространства между длинными целлюлозными волокнами

Таблица 3 – Влияние композиционного состава бумаги для печати на физико-механические показатели качества

Процентное отношение макулатура: целлюлоза	Показатели качества бумаги для печати
Процентное отношение макулатура: целлюлоза	Разрывная длина, м	Влагопроч- ность, %	Впитываемость при одностороннем смачивании, г/м²	Сопротивление излому, ч.д.п.
20:80	4740	3,1	26	35
40:60	4770	3,3	24	35
60:40	4810	3,3	23	34
80:20	4705	3,0	26	33
100:0	4580	2,8	28	33

и способствуя увеличению межволоконных сил связи. Последующее снижение прочности связано с большим влиянием на прочность бумаги длины волокна, а не межволоконных связей.

Сопротивление излому снижается с увеличением содержания макулатуры в композиции бумаги для печати, так как макулатура, которая является вторичным сырьем, имеет менее прочные волокна по сравнению с целлюлозой и содержит большее количество коротковолокнистой фракции при фиксированной степени помола.

Уменьшение впитываемости при одностороннем смачивании от 26 до 23 г/м² связано с тем, что мелкое макулатурное волокно, уменьшая пористость и увеличивая сомкнутость поверхности бумаги для печати, помогает создать проклеивающим комплексам барьер для прохождения влаги. Дальнейшее увеличение содержания вторичного волокна увеличивает впитываемость, так как макулатура более гидрофильна.

Экспериментальные данные, отражающие влияние расхода ГМК ТМАС-3Н на физико-механические показатели образцов бумаги для печати, приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Влияние расхода клеевой композиции ТМАС-3Н на показатели качества бумаги для печати

Расход ГМК, % от абс. сух. волокна	Показатели качества образцов бумаги для печати
Расход ГМК, % от абс. сух. волокна	Разрывная длина, м	Влагопроч- ность,	Впитываемость при односторон- нем смачива- чиваннии, г/м²	Сопротивле- ние излому, ч.д.п.	Золь- ность, %
0,5	4460	2,7	28	35	8
1,0	4610	2,9	26	35	9
1,5	4700	3,1	24	34	11
2,0	4650	3,0	25	34	13
2,5	4500	2,8	24	33	15

Получено, что увеличение расхода ГМК ТМАС-ЗН приводит к повышению прочности бумаги для печати. Об этом свидетельствуют показатели разрывной длины и влагопрочности, которые возрастают и достигают максимального значения при расходе ГМК 1,5% от абс. сух. волокна. При дальнейшем увеличении расхода ТМАС-ЗН от 1,5 до 2,5% от абс. сух. волокна наблюдается снижение прочностных показателей.

Впитываемость при одностороннем смачивании при увеличении расхода ГМК уменьшается, что можно объяснить барьером, создаваемым для проникновения воды гидрофобными частицами проклеивающих комплексов.

Полученные экспериментальные данные в сравнении с показателями качества бумаги для печати, полученной по существующей технологии, приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Условия получения и физико-механические показатели качества образцов бумаги для печати, полученных по существующей и разработанной технологиям

Наименование параметра	Значение параметра
Наименование параметра	по существующей технологии	по разработанной технологии
Условия получения образцов бумаги для печати
Композиционный состав, %: – целлюлоза беленая хвойная – целлюлоза беленая лиственная – макулатура белая	50 50 –	– – 100
Концентрация массы при роспуске, %	3,5–4	1,5
Концентрация массы при размоле, %	2,0–2,4	1,0
Расходы химикатов, % от абс. сух. волокна
– каолин – клей канифольный ЖМ – клей канифольный ТМАС-3Н – глинозем – NaКМЦ – отбелиатель	16 2,0 – 5,4 0,21 0,1	16 – 1,5 3,75 0,21 0,1
Показатели качества образцов бумаги для печати
Масса, г/м² Впитываемость при одностороннем смачивании, г/м² Разрывная длина, м Влагопрочность, % Зольность, % Сопротивление излому, ч.д.п.	80 24 4700 3,0 11 35	80 24 4700 3,1 11 38

Установлено, что более высокие показатели гидрофобности бумаги для печати достигаются при расходе ГМК ТМАС-ЗН 1,5% от абс. сух. волокна. Впитываемость при этом составляет 24 г/м². При этом бумага для печати имеет высокие прочностные показатели, так как разрывная длина составляет более 4700 м, влагопрочность – 3,1%.

Данные таблицы 5 свидетельствуют о сопоставимости показателей качества образцов бумаги для печати, полученных по существующей и разработанной технологиям.

Таким образом, разработана ресурсосберегающая технология бумаги для печати с максимальным использованием макулатурного сырья. Высокие физико-механические и гидрофобные показатели качества бумаги для печати достигаются при расходе ГМК ТМАС-3Н 1,5 % от абс. сух. волокна. При таком расходе проклеивающего вещества бумага для печати, изготовленная из 100% макулатуры, обладает такими же физико-механическими и гидрофобными показатели качества, как и бумага, изготовленная по существующей технологии. Это свидетельствует о целесообразности замены целлюлозы на макулатуру при производстве бумаги для печати и использовании для проклейки ГМК ТМАС-ЗН взамен ЖМ.

Литература:

1. Совершенствование печатных свойств бумаги в процессе ее производства / Д.В. Дунаев, В.Н. Леонтьев, П.В. Луканин // Целлюлоза бумага картон. – 2006. – № 6. – С. 47–49.

2. Влияние канифольной проклейки на качество бумаги и картона / Н.В. Черная // Вес. Нац. Акад. навук Беларусі. Сер. хім. навук. – 2006. – № 1. – С. 111–115.

3. Черная Н. В., Ламоткин А. И. Проклейка бумаги и картона в кислой и нейтральной средах. – Мн. : БГТУ, 2003. – 345 с.

4. Лабораторный практикум по целлюлозно-бумажному производству / Под ред. С. Ф. Примакова, В. П. Миловзорова, М. С. Кухникова, И. М. Царенко. М., 1980.