Черная Н.В., Колесников В.Л.

Учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет»

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КАНИФОЛЬНОЙ ПРОКЛЕЙКИ БУМАГИ И КАРТОНА В КИСЛОЙ И НЕЙТРАЛЬНОЙ СРЕДАХ В РЕЖИМЕ ГЕТЕРОАДАГУЛЯЦИИ

Традиционная технология клееных видов бумаги и картона основана на осуществлении процесса канифольной проклейки в кислой (рН 4,8–5,2) и нейтральной (рН 6,5–7,2) средах [1]. При этом предусматривается последовательное введение в волокнистую суспензию гидродисперсий модифицированной канифоли (ГМК) и раствора электролита (сульфата алюминия). Полученная система «Целлюлозные волокна – ГМК – ГСА» содержит разновеликие и крупнодисперсные коагуляты, полученные в результате агрегирования алюмосмоляных комплексов (коагулюмов). Последние образуются при коллоидно-химическом взаимодействии частиц отрицательно заряженных частиц дисперсной фазы ГМК с положительно заряженными формами гидроксосоединений алюминия (ГСА) [2]. Образовавшиеся коагуляты, как установлено нами [3], не способны равномерно распределяться и прочно фиксироваться на поверхности отрицательно заряженных волокон.

Поэтому процесс канифольной проклейки протекает в режиме гомокоагуляции, что сопровождается снижением степени удержания проклеивающего комплекса (коагулятов) в структуре бумажного и картонного полотна. Следствием этого является ухудшение гидрофобных свойств производимой бумажной и картонной продукции и повышение загрязненности оборотных и сточных вод. Все это снижает технико-экономические показатели химико-технологической системы и повышает отрицательное воздействие на окружающую среду. Частично эти проблемы устраняются в результате перевода процесса канифольной проклейки из кислой среды в нейтральную [1, 4] за счет замены нейтральных ГМК на высокосмоляные ГМК.

Однако проблема снижения размеров проклеивающих комплексов и повышения их адгезионных свойств до настоящего времени оставалась нерешенной. При этом существующая теория и технология канифольной проклейки бумаги и картона рассматривает коллоидно-химические взаимодействия между дисперсной фазой нейтральных и высокосмоляных ГМК только с гексаакваалюминиевыми ионами Al(H₂O)₆³⁺. При этом не принимается во внимание присутствие в системе таких форм гидроксосоединений алюминия (ГСА), как Al(H₂O)₅(OH)²⁺, Al(H₂O)₄(OH)₂⁺, Al(H₂O)₃(OH)₃⁰ и Al(H₂O)₂(OH)₄^– [2].

Для канифольной проклейки бумаги и картона широко применяются нейтральные (ТМ, ТМВС-2 и ЖМ) и высокосмоляные (ТМВС-2Н, ТМАС-3Н и Sacocell-309) ГМК, содержащие частицы дисперсной фазы размером 175–220 нм. При их взаимодействии с вышеуказанными формами ГСА образуются коагулюмы, после агрегирования формируются разновеликие и крупнодисперсные коагуляты, имеющие размер в пределах 2500–5500 нм [3]. Поэтому протекание процесса канифольной проклейки бумаги и картона в режиме гомокоагуляции [4] является, на наш взгляд, одной из основных причин ухудшения гидрофобности бумаги и картона и не позволяет решить технологические, экономические и экологические проблемы.

К перспективным способам повышения качества клееных видов бумаги и картона относится, по нашему мнению, перевод процесса канифольной проклейки из режима гомокоагуляции к режиму гетероадагуляции за счет обеспечения пептизации (дезагрегирования) коагулятов, образовавшихся при электролитной коагуляции как нейтральных (ТМ, ТМВС-2 и ЖМ), как и высокосмоляных (ТМВС-2Н, ТМАС-3Н и Sacocell-309) ГМК.

Полученные мелкодисперсные и положительно заряженные «пептизированные» частицы, как установлено нами [5, 6], способны равномерно распределяться и прочно фиксироваться на поверхности отрицательно заряженных целлюлозных волокон, что свидетельствует о протекании процесса канифольной проклейки бумаги и картона в режиме гетероадагуляции. Последующее введение в систему «Целлюлозные волокна – ГМК – ГСА» катионных полиэлектролитов ППЭС, ПДМДААХ и СА МХ ДМАПА спообствует дальнейшему повышению положиттельного электрокинетического потенциала «пептизированных» частиц, что положительно отражается на увеличении их адгезионных свойств по отношению к целлюлозным волокнам.

Отсутствие научно обоснованных данных, направленных на комплексное решение технологических, экономических и экологических проблем при канифольной проклейке бумаги и картона в кислой и нейтральной средах, обусловливает актуальность настоящей работы с научной и практической точек зрения.

Цель работы – разработка технологии канифольной проклейки бумаги и картона в кислой и нейтральной средах в режиме гетероадагуляции.

В качестве объектов исследования выбраны системы, содержащие постоянное количество волокна (2,2 г), воды (220,0 г), дисперсной фазы нейтральной или высокосмоляной ГМК (0,033 г (1,5% от абс. сух. волокна)) и различное количество электролита (С_эл, % от абс. сух. волокна) и катионного полиэлектролита (С_пэк, % от абс. сух. волокна). Величину С_эл увеличивали от 0,5 до 40,0, а С_пэк повышали от 0 до 2,5.

Исследуемые системы получали путем последовательного добавления в 1%-ную волокнистую суспензию, имеющую степень помола 40^оШР, сначала расчетных количеств 2%-ной ГМК, а затем 0,5%-ного электролита с известным содержанием в нем форм ГСА и 0,5%-ного раствора катионного полииэлектролита.

В качестве волокнистых полуфабрикатов применяли целлюлозу сульфатную беленую из хвойной древесины (ГОСТ 9571-89).

Гидродисперсии модифицированной канифоли (ГМК) отличались структурой частиц дисперсной фазы и коллоидно-химическими свойствами. Нами установлено [7], что частицы дисперсной фазы в высокосмоляных гидродисперсиях ТМВС-2Н, Sacocell-309 и ТМАС-3Н имели размер (d₀) 180, 216 и 185 нм и ξ-потенциал –25,4, –86,7 мВ и –30,8 мВ соответственно [8]. В нейтральных гидродисперсиях ТМ, ТМВС-2 и ЖМ частицы дисперсной фазы имели d₀ 190, 175 и 196 нм и ξ-потенциал –73,0, –45,6 и –70,5 мВ соответственно.

Нейтральные ГМК получали разведением водой таких пастообразных продуктов модификации талловой (а) и живичной (б) канифоли, как укрепленный клей марки ТМ (ТУ РБ 00280198-017-95) (а), укрепленный клей марки ТМВС-2 (ТУ РБ 00280198-010-94) (а) и укрепленный клей марки ЖМ (б) (ТУ РБ 00280198-017-95). Высокосмоляные ГМК получали аналогичным образом из клеевых канифольных композиций ТМВС-2Н (ТУ РБ 00280198-029-97), ТМАС-3Н (ТУ РБ 600012243.020–2003) и Sacocell-309 (фирма Krems Chemie, Австрия).

Растворы электролита (сульфата алюминия) отличались значениями рН и, следовательно, качественным и количественным распределением в них таких основных форм ГСА, как Al(H₂O)₆³⁺ (R₁), Al(H₂O)₅(OH)²⁺ (R₂), Al(H₂O)₄(OH)₂⁺ (R₃), Al(H₂O)₃(OH)₃⁰ (R₄) и Al(H₂O)₂(OH)₄^– (R₅) [2]. Применяемые растворы электролита имели рН 1,95, 2,70, 3,50, 3,75, 4,30, 5,30, 6,80 и 9,10. Их получали из свежеприготовленного раствора электролита с рН 3,50 (R₁ = 90% и R₂ = 10%). Для снижения рН раствора электролита до 2,70 (R₁ = 95% и R₂ = 5%) и 1,95 (R₁ = 100%) к нему добавляли 0,5 н раствор HCl, а для повышения рН от 3,50 до 3,75–9,10 к нему добавляли 24%-ный раствор NH₄OH. Получено, что в растворе электролита с рН 3,75 присутствовали формы ГСА в количестве R₁ = 88% и R₂ = 12%, с рН 4,30 – R₁ = 85%, R₂ = 10% и R₃ = 5%, с рН 5,30 – R₁ = 10%, R₂ = 40%, R₃ = 40% и R₃ = 10%, с рН 6,80 – R₃ = 20% и R₄ = 80% и с рН 9,10 – R₄ = 60% и R₅ = 40%.

Растворы катионных полиэлектролитов содержали макромолекулы полиамидполиаминэпихлоргидриновой смолы (ППЭС) (ТУ РБ 300041455.021-2001), полидиметилдиаллиламмонийхлорида (ПДМДААХ) (ТУ 2227-184-00203312-98) и сополимера акриламида с метиленхроридом диметиламинопро-пилакриламида (СА МХ ДМАПА) (ТУ 2216-001-40910172-98). Известно [1], что ППЭС имеет молекулярную массу (ММ) 10⁴ у.е. и относится к слабоосновным катионным полиэлектролитам, а ПДМДААХ (ММ = 4·10⁴ у.е.) и СА МХ ДМАПА (ММ = 10⁶ у.е.) являются сильноосновными катионными полиэлектролитами.

Образцы изучаемых систем готовили следующим образом. Сначала в три параллельные пробы 1%-ной волокнистой супензии дозировали расчетные количества нейтральной или высокосмоляной ГМК. После этого осуществляли перемешивание полученных систем в течение 5 мин, что обеспечивало равномерное распределение частиц дисперсной фазы ГМК в межволоконном пространстве. Затем в каждую из трех систем дозировали расчетные количества растворов электролита, отличающихся величиной рН и содержанием в них форм ГСА, и катионных полиэлектролитов. Из полученных систем изготавливали образцы бумаги (70 г/м²) и картона (340 г/м²).

Следует отметить, что сначала в каждую из трех проб волокнистой суспензии вводили такое количества электролита (С_эл), которое способствовало сначала образованию коагулятов (в этом случае процесс коагуляции ГМК протекал в первой области коагуляции). Затем из пробы изготавливали образец бумаги (картона) (образец 1), а к двум другим добавляли дополнительное количество электролита (С_доп), обеспечивающее сначала пептизацию (дезагрегирование) коагулятов (образец 2), а затем последующее агрегирование «пептизированных» частиц (образец 3) (в этом случае процесс коагуляции ГМК протекал во второй области коагуляции). Этот методический принцип получения коагулятов (образцы 1 и 3) и обеспечения их пептизации (образец 2) применяли для десяти параллельных проб, что позволило обеспечить воспроизводимость результатов исследований и их достоверность.

Свойства изучаемых систем оценивали величиной рН** (У₁) (определяли на ионометре ЭВ-74), а после изготовления из них образцов бумаги и картона определяли гидрофобность (У₂ и У₃), прочность (У₄–У₇), поглощение энергии при разрыве (У₈ и У₉), эластичность (У₁₀) и жесткость (У₁₁ и У₁₂).

Образцы бумаги и картона, отличающиеся содержанием в них электролита (С_эл) и катионного полиэлектролита (С_пэк), изготавливали на листоотливном аппарате «Rapid-Ketten» (фирма «Ernst Haage», Германия) в соответствии с прилагаемой к нему инструкцией.

Качество образцов бумаги и картона характеризовали такими показателями, как степень проклейки по штриховому методу (У₂, мм), впитываемость при одностороннем смачивании (У₃, г/м²), усилие при разрыве (У₄, Н), сопротивление разрыву (У₅, кН/м), индекс сопротивления разрыву (У₆, Н·м/г), разрывная длина (У₇, м), поглощение энергии при разрыве (У₈, Дж/м²), индекс поглощения энергии при разрыве (У₉, мДж/г), модуль Юнга (модуль эластичности) (У₁₀, ГПа), жесткость при разрыве (У₁₁, кН/м) и индекс жесткости при разрыве (У₁₂, кН·м/г).

Гидрофобность (У₂ и У₃) определяли по ГОСТ 6658-75Е и ГОСТ 12606-82Е соответственно. Прочность (У₄–У₇), поглощение энергии при разрыве (У₈ и У₉), эластичность (У₁₀) и жесткость (У₁₁ и У₁₂) определяли на комплекте приборов фирмы «Lorents & Wettre» (Швеция) по ISO 1924-2.

Адгезионные свойства коагулятов и «пептизированных» частиц косвенно характеризовали показателями У₈ и У₉.

Дисперсность коагулятов и «пептизированных» частиц, а также характер распределения их на поверхности целлюлозных волокон определяли по микрофотографиям, полученным на электронном микроскопе ЭМ-125 по стандартной методике [9] и на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-5610 (модель JSM-5610 LV, производитель фирма JEOL Ltd, Япония).

Результаты исследований представлены в таблицах 1–5.

Из таблиц 1–5 видно, что гидрофобность, прочность и специальные свойства образцов бумаги, проклеенных в режиме гетероадагуляции выше, чем для образцов бумаги, проклеенных в режиме гомокоагуляции. Эта закономерность относится ко всем исследуемым нейтральным (ТМ, ТМВС-2 и ЖМ) и высокосмоляным (ТМВС-2Н, ТМАС-3Н и Sacocell-309) ГМК.

Проведенные исследования позволили нам разработать технологию канифольной проклейки бумаги и картона в кислой и нейтральной средах в режиме гетероадагуляции. Технологическая схема представлена на рисунке.

Таблица 1 – Гидрофобность образцов бумаги в зависимости от режима канифольной проклейки волокнистой суспензии

в кислой и нейтральной средах

R0	Rэл	Вид проклеивающего комплекса	Размер проклеи-вающего комплекса, нм	Режим канифольной проклейки волокнистой суспензии	рН** проклеенной волокнистой суспензии		Гидрофобность образцов бумаги
							Степень проклейки по штриховому методу, мм	Впитываемость при одностороннем смачивании, г/м^2
Нейтральная гидродисперсия ТМ (d0 = 190 нм)
1,5	2,1–3,1	Коагуляты	1330–2200	Гомокоагуляция	6,0–6,5	1,2–1,4		30–35
1,5	3,2–4,6	«Пептизированные» частицы	190	Гетероадагуляция	5,6–5,9	2,2–2,4		15–17
1,5	4,8–7,0	Коагуляты	4200–5000	Гомокоагуляция	4,0–5,5	1,4–1,6		25–30
Нейтральная гидродисперсия ТМВС-2 (d0 = 175 нм)
1,5	2,6–3,5	Коагуляты	1575–1900	Гомокоагуляция	6,3–7,4	1,8–2,0		18–22
1,5	3,7–7,3	Коагуляты	4400–5300	Гомокоагуляция	4,6–6,2	1,4–1,6		30–35
Нейтральная гидродисперсия ЖМ (d0 = 196 нм)
1,5	2,3–3,2	Коагуляты	1400–2370	Гомокоагуляция	5,7–6,8	1,6–1,8		23–26
1,5	3,6–4,8	Частично пептизированные коагуляты	320–565	Промежуточный режим	5,3–5,6	2,0–2,2		14–16
1,5	5,0–7,1	Коагуляты	2300–3500	Гомокоагуляция	4,3–5,2	1,0–1,2		30–33
Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н (d0 = 180 нм)
1,5	1,7–2,7	Коагуляты	900–1620	Гомокоагуляция	7,3–7,5	1,8–2,0		14–20
1,5	2,8–4,2	«Пептизированные» частицы	180	Гетероадагуляция	6,5–7,2	2,4		10–12
1,5	8,5–14,0	Коагуляты	1450–2425	Гомокоагуляция	5,0–6,4	2,0–22		13–16
Высокосмоляная гидродисперсия Sacocell-309 (d0 = 216 нм)
1,5	1,5–3,0	Коагуляты	1600–2600	Гомокоагуляция	6,1–6,5	0,8–1,8		20–40
1,5	3,5–7,5	Частично пептизированные коагуляты	216–300	Промежуточный режим	5,7–6,0	2,0–2,2		13–18
1,5	8,8–14,0	Коагуляты	2200–3600	Гомокоагуляция	5,0–5,6	1,6–1,8		16–20
Высокосмоляная гидродисперсия ТМАС-3Н (d0 = 185 нм)
1,5	1,8–2,9	Коагуляты	600–1080	Гомокоагуляция	7,3–7,5	1,8–2,0		15–25
1,5	3,1–4,3	«Пептизированные» частицы	185	Гетероадагуляция	6,5–7,2	2,4		11–13
1,5	8,2–14,0	Коагуляты	1100–1480	Гомокоагуляция	5,0–6,4	1,8–2,0		15–18

Таблица 2 – Прочность образцов бумаги в зависимости от режима канифольной проклейки волокнистой суспензии

в кислой и нейтральной средах

R0	Rэл	Вид проклеивающего комплекса	Размер проклеи-вающего комплекса, нм	Режим канифольной проклейки волокнистой суспензии	рН** проклеенной волокнистой суспензии	Прочность образцов бумаги
						Сопротивление разрыву, кН/м	Разрывная длина, м
Нейтральная гидродисперсия ТМ (d0 = 190 нм)
1,5	2,1–3,1	Коагуляты	1330–2200	Гомокоагуляция	6,0–6,5	4,3–4,5	5400–5750
1,5	3,2–4,6	«Пептизированные» частицы	190	Гетероадагуляция	5,6–5,9	5,4–5,6	6800–7000
1,5	4,8–7,0	Коагуляты	4200–5000	Гомокоагуляция	4,0–5,5	3,8–4,2	5000–5200
Нейтральная гидродисперсия ТМВС-2 (d0 = 175 нм)
1,5	2,6–3,5	Коагуляты	1575–1900	Гомокоагуляция	6,3–7,4	4,6–5,1	5600–5900
1,5	3,7–7,3	Коагуляты	4400–5300	Гомокоагуляция	4,6–6,2	№.8–4,2	4800–5000
Нейтральная гидродисперсия ЖМ (d0 = 196 нм)
1,5	2,3–3,2	Коагуляты	1400–2370	Гомокоагуляция	5,7–6,8	4,2–4,4	5400–5750
1,5	3,6–4,8	Частично пептизированные каогуляты	320–565	Промежуточный режим	5,3–5,6	4,9-5,3	6200–6500
1,5	5,0–7,1	Коагуляты	2300–3500	Гомокоагуляция	4,3–5,2	4,0–4,2	4800–5200
Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н (d0 = 180 нм)
1,5	1,7–2,7	Коагуляты	900–1620	Гомокоагуляция	7,3–7,5	4,7–5,2	6600–7500
1,5	2,8–4,2	«Пептизированные» частицы	180	Гетероадагуляция	6,5–7,2	5,3–5,5	7600–7800
1,5	8,5–14,0	Коагуляты	1450–2425	Гомокоагуляция	5,0–6,4	4,2–4,4	6200–6500
Высокосмоляная гидродисперсия Sacocell-309 (d0 = 216 нм)
1,5	1,5–3,0	Коагуляты	1600–2600	Гомокоагуляция	6,1–6,5	4,1–4,3	6100–6400
1,5	3,5–7,5	Частично пептизированные коагуляты	216–300	Промежуточный режим	5,7–6,0	5,0–5,2	7200–7500
1,5	8,8–14,0	Коагуляты	2200–3600	Гомокоагуляция	5,0–5,6	3,8–4,0	4900–5300
Высокосмоляная гидродисперсия ТМАС-3Н (d0 = 185 нм)
1,5	1,8–2,9	Коагуляты	600–1080	Гомокоагуляция	7,3–7,5	4,8–5,0	6250–6400
1,5	3,1–4,3	«Пептизированные» частицы	185	Гетероадагуляция	6,5–7,2	5,3–5,5	7500–7750
1,5	8,2–14,0	Коагуляты	1100–1480	Гомокоагуляция	5,0–6,4	4,6–4,8	6000–6400

Таблица 3 – Межволоконные силы связей в образцах бумаги в зависимости от режима канифольной проклейки

волокнистой суспензии в кислой и нейтральной средах

R0	Rэл	Вид проклеивающего комплекса	Размер проклеи-вающего комплекса, нм	Режим канифольной проклейки волокнистой суспензии	рН** проклеенной волокнистой суспензии	Межволоконные силы связей
						Поглощение энергии при разрыве образцов бумаги, Дж/м^2	Индекс поглощения энергии при разрыве образцов бумаги, мДж/г
Нейтральная гидродисперсия ТМ (d0 = 190 нм)
1,5	2,1–3,1	Коагуляты	1330–2200	Гомокоагуляция	6,0–6,5	49–52	690–715
1,5	3,2–4,6	«Пептизированные» частицы	190	Гетероадагуляция	5,6–5,9	58–60	1100–1150
1,5	4,8–7,0	Коагуляты	4200–5000	Гомокоагуляция	4,0–5,5	45–47	670–690
Нейтральная гидродисперсия ТМВС-2 (d0 = 175 нм)
1,5	2,6–3,5	Коагуляты	1575–1900	Гомокоагуляция	6,3–7,4	52–54	480–520
1,5	3,7–7,3	Коагуляты	4400–5300	Гомокоагуляция	4,6–6,2	40–45	980–1080
Нейтральная гидродисперсия ЖМ (d0 = 196 нм)
1,5	2,3–3,2	Коагуляты	1400–2370	Гомокоагуляция	5,7–6,8	44–48	550–600
1,5	3,6–4,8	Частично пептизированные коагуляты	320–565	Промежуточный режим	5,3–5,6	66–71	690–720
1,5	5,0–7,1	Коагуляты	2300–3500	Гомокоагуляция	4,3–5,2	34–38	430–500
Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н (d0 = 180 нм)
1,5	1,7–2,7	Коагуляты	900–1620	Гомокоагуляция	7,3–7,5	63–73	930–1020
1,5	2,8–4,2	«Пептизированные» частицы	180	Гетероадагуляция	6,5–7,2	75–80	1050–1100
1,5	8,5–14,0	Коагуляты	1450–2425	Гомокоагуляция	5,0–6,4	45–55	670–720
Высокосмоляная гидродисперсия Sacocell-309 (d0 = 216 нм)
1,5	1,5–3,0	Коагуляты	1600–2600	Гомокоагуляция	6,1–6,5	60–65	880–1000
1,5	3,5–7,5	Частично пептизированные коагуляты	216–300	Промежуточный режим	5,7–6,0	70–74	1015–1040
1,5	8,8–14,0	Коагуляты	2200–3600	Гомокоагуляция	5,0–5,6	42–45	650–720
Высокосмоляная гидродисперсия ТМАС-3Н (d0 = 185 нм)
1,5	1,8–2,9	Коагуляты	600–1080	Гомокоагуляция	7,3–7,5	59–63	900–980
1,5	3,1–4,3	«Пептизированные» частицы	185	Гетероадагуляция	6,5–7,2	74–78	1040–1090
1,5	8,2–14,0	Коагуляты	1100–1480	Гомокоагуляция	5,0–6,4	52–56	680–720

Таблица 4 – Эластичность образцов бумаги в зависимости от режима канифольной проклейки волокнистой суспензии

в кислой и нейтральной средах

R0	Rэл	Вид проклеивающего комплекса	Размер проклеи-вающего комплекса, нм	Режим канифольной проклейки волокнистой суспензии	рН** проклеенной волокнистой суспензии	Эластичность образцов бумаги
						Модуль Юнга (модуль эластичности), ГПа
Нейтральная гидродисперсия ТМ (d0 = 190 нм)
1,5	2,1–3,1	Коагуляты	1330–2200	Гомокоагуляция	6,0–6,5	7,3–7,5
1,5	3,2–4,6	«Пептизированные» частицы	190	Гетероадагуляция	5,6–5,9	6,1–6,3
1,5	4,8–7,0	Коагуляты	4200–5000	Гомокоагуляция	4,0–5,5	5,8–6,0
Нейтральная гидродисперсия ТМВС-2 (d0 = 175 нм)
1,5	2,6–3,5	Коагуляты	875–1400	Гомокоагуляция	6,3–7,4	8,5–8,7
1,5	3,7–7,3	Коагуляты	4400–5300	Гомокоагуляция	4,6–6,2	8,0–8,3
Нейтральная гидродисперсия ЖМ (d0 = 196 нм)
1,5	2,3–3,2	Коагуляты	1400–2370	Гомокоагуляция	5,7–6,8	5,5–5,7
1,5	3,6–4,8	Частично пептизированные коагуляты	320–565	Промежуточный режим	5,3–5,6	6,1–6,3
1,5	5,0–7,1	Коагуляты	2300–3500	Гомокоагуляция	4,3–5,2	3,7–4,1
Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н (d0 = 180 нм)
1,5	1,7–2,7	Коагуляты	900–6200	Гомокоагуляция	7,3–7,5	7,1–7,7
1,5	2,8–4,2	«Пептизированные» частицы	180	Гетероадагуляция	6,5–7,2	7,8–8,0
1,5	8,5–14,0	Коагуляты	1450–2425	Гомокоагуляция	5,0–6,4	6,4–7,0
Высокосмоляная гидродисперсия Sacocell-309 (d0 = 216 нм)
1,5	1,5–3,0	Коагуляты	1600–2600	Гомокоагуляция	6,1–6,5	7,0–7,2
1,5	3,5–7,5	Частично пептизированные коагуляты	216–300	Промежуточный режим	5,7–6,0	7,2–7,5
1,5	8,8–14,0	Осадки	2200–3600	Гомокоагуляция	5,0–5,6	6,8–7,0
Высокосмоляная гидродисперсия ТМАС-3Н (d0 = 185 нм)
1,5	1,8–2,9	Коагуляты	600–1080	Гомокоагуляция	7,3–7,5	6,1–6,7
1,5	3,1–4,3	«Пептизированные» частицы	185	Гетероадагуляция	6,5–7,2	7,8–8,2
1,5	8,2–14,0	Коагуляты	1100–1480	Гомокоагуляция	5,0–6,4	7,3–7,5

Таблица 5 – Жесткость и индекс жесткости образцов бумаги в зависимости от режима канифольной проклейки волокнистой суспензии в кислой и нейтральной средах

R0	Rэл	Вид проклеивающего комплекса	Размер проклеи-вающего комплекса, нм	Режим канифольной проклейки волокнистой суспензии	рН** проклеенной волокнистой суспензии	Жесткость, кН/м	Индекс жесткости, кН·м/г
Нейтральная гидродисперсия ТМ (d0 = 190 нм)
1,5	2,1–3,1	Коагуляты	1330–2200	Гомокоагуляция	6,0–6,5	700–720	10,0–10,4
1,5	3,2–4,6	«Пептизированные» частицы	190	Гетероадагуляция	5,6–5,9	580–600	8,2–8,4
1,5	4,8–7,0	Коагуляты	4200–5000	Гомокоагуляция	4,0–5,5	560–570	7,8–8,0
Нейтральная гидродисперсия ТМВС-2 (d0 = 175 нм)
1,5	2,6–3,5	Коагуляты	875–1400	Гомокоагуляция	6,3–7,4	780–800	11,2–11,6
1,5	3,7–7,3	Коагуляты	4400–5300	Гомокоагуляция	4,6–6,2	720–740	10,4–10,6
Нейтральная гидродисперсия ЖМ (d0 = 196 нм)
1,5	2,3–3,2	Коагуляты	1400–2370	Гомокоагуляция	5,7–6,8	520–530	7,2–7,7
1,5	3,6–4,8	Частично пептизированные коагуляты	320–565	Промежуточный режим	5,3–5,6	590–615	8,4–8,6
1,5	5,0–7,1	Коагуляты	2300–3500	Гомокоагуляция	4,3–5,2	355–370	4,8–5,0
Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н (d0 = 180 нм)
1,5	1,7–2,7	Коагуляты	900–1620	Гомокоагуляция	7,3–7,5	650–670	9,3–9,8
1,5	2,8–4,2	«Пептизированные» частицы	180	Гетероадагуляция	6,5–7,2	680–710	9,9–10,1
1,5	8,5–14,0	Коагуляты	1450–2425	Гомокоагуляция	5,0–6,4	600–630	8,5–9,1
Высокосмоляная гидродисперсия Sacocell-309 (d0 = 216 нм)
1,5	1,5–3,0	Коагуляты	1600–2600	Гомокоагуляция	6,1–6,5	630–640	8,8–9,0
1,5	3,5–7,5	Частично пептизированные коагуляты	216–300	Промежуточный режим	5,7–6,0	645–675	9,1–9,4
1,5	8,8–14,0	Коагуляты	2200–3600	Гомокоагуляция	5,0–5,6	625–635	8,6–8,8
Высокосмоляная гидродисперсия ТМАС-3Н (d0 = 185 нм)
1,5	1,8–2,9	Коагуляты	600–1080	Гомокоагуляция	7,3–7,5	570–600	7,8–8,2
1,5	3,1–4,3	«Пептизированные» частицы	185	Гетероадагуляция	6,5–7,2	730–750	10,8–11,0
1,5	8,2–14,0	Коагуляты	1100–1480	Гомокоагуляция	5,0–6,4	590–620	10,0–10,4

Основная идея, реализованная в данной технологической схеме, состоит в обеспечении пептизации коагулятов, образовавшихся при электролитной коагуляции нейтральных (ТМ, ТМВС-2 и ЖМ) и высокосмоляных (ТМВС–2Н, ТМАС-3Н и Sacocell-309) ГМК.

В отличие от существующей технологии, когда процесс канифольной проклейки бумаги и картона протекает в режиме гомокоагуляции (процесс электролитной коагуляции ГМК протекает во второй области коагуляции), предлагается кибернетическая организация процесса канифольной проклейки в режиме гетероадагуляции за счет обеспечения пептизации коагулятов (узел 5), образовавшихся не во второй, а в первой области коагуляции ГМК. При этом предлагается максимальное использование функционирующего технологического оборудования, что значительно сокращает материальные затраты при внедрении разработанной технологии на бумажных и картонных предприятиях.

Научный и практический интерес представляют данные о кибернетической организации канифольной проклейки бумаги и картона в режиме гетероадагуляции за счет обеспечения пептизации коагулятов, образовавшихся при электролитной коагуляции нейтральных и высокосмоляных ГМК. При этом особое внимание должно быть уделено распределению компонентов в материальных потоках на каждой стадии производственного цикла. Для формализации процедуры расчета материальных балансов использована методика, разработанная профессором В.Л. Колесниковым [10]. Все потоки закодированы в виде семимерного массива с именем Q. Первой координате этого вектора присваиваются номера материальных потоков, под которыми они выступают в рассматриваемой технологической схеме, второй координате – цифровой индекс компонента потока, в частности, общая масса каждого потока имеет индекс 1, сухие вещества – индекс 2, целлюлозные волокна – индекс 3, проклеивающий комплекс – индекс 4, наполнитель – индекс 5, электролит – индекс 6, полиэлектролит – индекс 7.

Следует обратить особое внимание на то, что в качестве проклеивающего комплекса Q(I, 4) используются осадки (процесс канифольной проклейки протекает в традиционном режиме гомокоагуляции) или полученные из них пептизированные частицы (процесс канифольной проклейки протекает в разработанном режиме гетероадагуляции).

Функционирование рассматриваемой химико-технологической системы оценивали по технико-экономическим и экологическим показателям. Рассматриваемая принципиальная технологическая схема включает 16 элементов, связанных 43 потоками, из которых 8 искусственно разорваны для того, чтобы можно было применить мультипликационный принцип формализации работы рассматриваемой химико-технологической системы в динамике [10–14].

В принципиальной технологической схеме, представленной на рисунке, присутствует 43 потока (I = 43). Поэтому при выходе химико-технологической системы на стационарный режим работы в каждом рассматриваемом I-ом потоке присутствуют некоторые или все семь компонентов. Так, например, свежепоступающие волокнистые полуфабрикаты (поток №1) содержат целлюлозные волокна Q(1, 3) и воду; поэтому содержание сухих веществ Q(1, 2) равно Q(1, 3); содержание остальных компонентов равно нулю (Q(1, 4) = 0, Q(1, 5) = 0, Q(1, 6) = 0 и Q(1, 7) = 0). Если рассмотреть, например, поток № 22, то в нем присутствуют все семь компонентов; их содержание зависит от условий функционирования каждого узла рассматриваемой химико-технологической системы.

Потоками №№ 1, 9, 11, 15, 17, 21, 25, 33, 38 и 43 организуется главная технологическая линия, на которой поступающие волокнистые полуфабрикаты (поток №1) превращаются в готовую продукцию (поток №43). Волокнистое сырье сначала подвергается роспуску и размолу (узел 1). Размолотая волокнистая суспензия, содержащая 2,0–4,0% сухих веществ, потоком № 9 поступает в рабочий бассейн (узел 2), где в нее вводится гидродисперсия модифицированной канифоли (ГМК). Расход ГМК зависит от требуемой степени гидрофобизации бумаги и картона и может находиться в пределах 0,5–2,5% от абс. сух. волокна.

После равномерного распределения частиц дисперсной фазы нейтральной или высокосмоляной ГМК в межволоконном пространстве волокнистая суспензия насосами перекачивается в композиционный бассейн (узел 3), в который вводятся суспензия наполнителя (поток № 12) и скоп (поток № 13). В составлении композиции рассматриваемой системы (узел 3) принимают участие потоки № 11 (содержит целлюлозные волокна Q(11, 3) и частицы дисперсной фазы ГМК Q(11, 4)), № 12 (содержит наполнитель Q(12, 4)) и № 13 (содержит целлюлозные волокна в виде скопа Q(13, 3), а также незначительное количество проклеивающего комплекса Q(13, 4), наполнителя Q(13, 5), электролита Q(13, 6) и катионного полиэлектролита Q(13, 7)).

Из композиционного бассейна (узел 3) микрогетерогенная система потоком № 15 направляется в машинный бассейн (узел 4), в который вводится расчетное количество электролита (поток № 16) для осуществления процесса электролитной коагуляции ГМК. Особенностью разработанной технологической схемы является протекание коагуляционного процесса ГМК в первой области коагуляции (узел 4).

При последующем введении в систему (узел 5) потоком № 18 требуемого количества ГСА или катионного полиэлектролита (ПЭК) происходит пептизация (дезагрегирование) коагулятов, образовавшихся в первой области коагуляции ГМК. Этот процесс целесообразно организовать в смесительном насосе непосредственно перед отливом бумажного и картонного полотна на бумаго-и картоноделательной машине. Кроме того, во всасывающий патрубок смесительного насоса потоком № 19 подается оборотная вода для разбавления микрогетерогенной системы до концентрации 0,4–0,8%.

Последующие стадии производства клееных видов бумаги и картона являются традиционными и осуществляются на бумаго- или картоноделательной машине, где происходит отлив (обезвоживание) бумажного и картонного полотна (узлы 6 и 7) и последующее их прессование (узел 8) и сушка (узел 9).

Сущность кибернетической организации процесса пептизации коагулятов в микрогетерогенных системах с последующим осуществлением процесса канифольной проклейки бумаги и картона в режиме гетероадагуляции заключается в управлении компонентным составом материальных потоков в рассматриваемой химико-технологической системе. Это относится ко всем стадиям производственного процесса, начиная от подготовки волокнистой суспензии (роспуск и размол волокнистого сырья) (узел 1), введения в нее гидродисперсии модифицированной канифоли (ГМК) (узел 2) и наполнителя (узел 3), проведения процесса электролитной коагуляции ГМК (образование коагулятов в первой области коагуляции) (узел 4) и обеспечения пептизации коагулятов (узел 5) и заканчивая процессами обезвоживания (узлы 6 и 7), прессования (узел 8) и сушки (узел 9) бумажного и картонного полотна на бумаго- или картоноделательной машине.

Следует подчеркнуть, что в отличие от существующей технологии предлагаемая кибернетическая организация канифольной проклейки бумаги и картона гарантирует высокое качество готовой продукции, так как процесс канифольной проклейки протекает в режиме гетероадагуляции за счет обеспечения пептизации коагулятов, образовавшихся при электролитной коагуляции ГМК в первой области коагуляции. Кроме того, эта схема включает систему переработки оборотного брака (узлы 10–12) и возвращения его потоком № 2 в основной технологический поток, а также повышает степень замкнутости системы водопотребления (узлы 13–16).

Особое значение в рассматриваемой химико-технологической системе имеют следующие стадии:

• введение нейтральных и высокосмоляных ГМК потоком № 10 в волокнистую суспензию (узел 2) и обеспечение равномерного распределения их дисперсной фазы в межволоконном пространстве микрогетерогенной системы;

• образование коагулятов (узел 4), полученных в первой области быстрой коагуляции ГМК и способных пептизироваться; такие коагуляты образуются в результате агрегирования коагулюмов, полученных благодаря управлению коллоидно-химического взаимодействия дисперсной фазы нейтральных и высокосмоляных ГМК с ГСА (поток № 16) Al(H₂O)₆³⁺, Al(H₂O)₅(OH)²⁺, Al(H₂O)₄(OH)₂⁺; при этом в системе могут также присутствовать Al(H₂O)₃(OH)₃⁰ и Al(H₂O)₂(OH)₄^–, проявляющие стабилизирующее действие;

• пептизация коагулятов (узел 5) за счет дополнительного введения в химико-технологическую систему потоком № 18 необходимых количеств электролита или катионного полиэлектролита; полученные мелкодисперсные и положительно заряженные «пептизированные» частицы, обладающие повышенными адгезионными свойствами, равномерно распределяются и прочно фиксируются на поверхности целлюлозных волокон; улучшение качества бумаги и картона объясняется переводом процесса канифольной проклейки из традиционного режима гомокоагуляции в более эффективный режим гетероадагуляции за счет обеспечения пептизации осадков.

Следует отметить, что традиционная технология канифольной проклейки бумаги и картона основана на введении «избыточного» количества электролита (С_т), так как процесс электролитной коагуляции нейтральных и высокосмоляных ГМК протекает, как правило, во второй области быстрой коагуляции; поэтому образовавшиеся разновеликие и крупнодисперсные коагуляты, как установлено нами [3], не пептизируются. Такие коагуляты не способны равномерно распределяться и прочно фиксироваться на поверхности целлюлозных волокон; поэтому процесс канифольной проклейки бумаги и картона протекает в режиме гомокоагуляции [13].

В разработанной технологической схеме включен принципиально новый узел 5, позволяющий обеспечить пептизацию коагулятов.

Сущность обеспечения пептизации коагулятов и проведения процесса канифольной проклейки бумаги и картона в режиме гетероадагуляции, как впервые показано нами [5], состоит в том, что при электролитной коагуляции нейтральных и высокосмоляных ГМК в первой области быстрой коагуляции образуются коагуляты, способные пептизироваться. Для этого в микрогетерогенную систему, содержащую целлюлозные волокна и дисперсную фазу ГМК, необходимо сначала потоком № 16 добавить такое количество электролита (С₁) с заданным содержанием в нем ГСА (Al(H₂O)₆³⁺, Al(H₂O)₅(OH)²⁺, Al(H₂O)₄(OH)₂⁺, Al(H₂O)₃(OH)₃⁰ и Al(H₂O)₂(OH)₄^–), которое обеспечивает образование коагулятов, способных пептизироваться. Последующее добавление в такую систему потоком № 18 электролита или катионного полиэлектролита в количестве С_п обеспечивает пептизацию коагулятов и, следовательно, осуществление процесса канифольной проклейки в режиме гетероадагуляции.

Обращает на себя внимание тот факт, что по сравнению с традиционной технологией, когда микрогетерогенная система содержит электролит в количестве С_т и процесс канифольной проклейки протекает в режиме гомокоагуляции, разработанная технология канифольной проклейки бумаги и картона в режиме гетероадагуляции позволяет не только значительно уменьшить удельные расходные нормы электролита (С_р = С₁ + С_п), так как С_р << С_т, но и улучшить качество и снизить себестоимость готовой продукции, а также значительно уменьшить отрицательное воздействие на окружающую среду.

Таким образом, разработанная технологическая схема канифольной проклейки бумаги и картона в режиме гетероадагуляции основана на обеспечении пептизации коагулятов, образовавшихся в первой области электролитной коагуляции нейтральных и высокосмоляных ГМК.

Литература:

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

2. Назаренко В. А., Антонович В. П., Невская Е. М. Гидролиз металлов в разбавленных растворах. – М.: Атомиздат, 1979.

3. Черная Н. В., Эмелло Г. Г., Ламоткин А. И. Влияние основных солей алюминия на кинетику быстрой коагуляции гидродисперсии модифицированной канифоли // Вести НАН Беларуси. Сер. хим. наук. – 2005, № 4. – С. 106–112.

4. Черная Н. В., Ламоткин А. И. Проклеивающие свойства продуктов модификации талловой и живичной канифоли // Вести НАН Беларуси. Сер. хим. наук. – 2003, № 2. – С. 88–90.

5. Черная Н. В. Пептизация осадков при электролитной коагуляции гидродисперсий модифицированной канифоли // Труды БГТУ. Сер. IV. Химия и технология орган. в-в. – 2005. – Вып. XIII. – С. 151–155.

6. Черная Н. В. Влияние пептизированных частиц на качество бумаги и картона // Труды БГТУ. Сер. IV. Химия и технология орган. в-в. – 2005. – Вып. XIII. – С. 147–150.

7. Проклеивающее вещество для бумаги, способ его приготовления и использование модифицированной канифоли: пат. 384841 (Австрия). Опубл. 11.01.1998.

8. Черная Н. В., Эмелло Г. Г., Ламоткин А. И. Электролитная коагуляция клеевых канифольных эмульсий // Вести НАН Беларуси. Сер. хим. наук. – 2001, № 4. – С. 101–103.

9. Воюцкий С. С., Панич Р. М. Практикум по коллоидной химии и электронной микроскопии. – М.: Химия, 1974.

10. Колесников В. Л. Бумага и картон из волокнисто-полимерных композиций. – Мн.: БГТУ, 2004. – 274 с.

11. Колесников В. Л. Математические основы компьютерного моделирования химико-технологических систем. – Мн.: БГТУ, 2003. – 312 с.

12. Колесников В. Л., Жарский И. М., Урбанович П. П. Компьютерное моделирование и оптимизация химико-технологических систем. – Мн.: БГТУ, 2004. – 532 с.

13. Черная Н. В., Эмелло Г. Г., Ламоткин А. И. Кинетика быстрой коагуляции канифольной эмульсии ТМВС-2Н в зависимости от форм гидроксосоединений алюминия // Труды БГТУ. Сер. IV. Химия и технология орган. в-в. – 2004. – Вып. XII. – С. 115–121.