Д.т.н. Черная Н.В.

Учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет» (г. Минск, Республика Беларусь)

СОЗДАНИЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ

КЛЕЕНЫХ ВИДОВ БУМАГИ И КАРТОНА В РЕЖИМЕ

ГЕТЕРОАДАГУЛЯЦИИ ПЕПТИЗИРОВАННЫХ ЧАСТИЦ

В технологии клееных видов бумаги и картона широко используются различные виды гидродисперсий модифицированной канифоли (ГМК) [1], отличающиеся структурой отрицательно заряженных частиц дисперсной фазы и коллоидно-химическими свойствами. К перспективным проклеивающим материалам на канифольной основе относятся нейтральные (ТМ, ЖМ, ТМВС-2) и высокосмоляные (ТМВС-2Н, ТМАС-3Н и Sacocell-309). Их применение основано на том, что в волокнистую суспензию сначала дозируется ГМК, а затем – раствор сульфата алюминия, содержащего различные формы гидроксосоединения алюминия (ГСА) и выполняющего, как правило, роль коагулянта.

Однако по традиционной технологии проклейки бумаги и картона при коллоидно-химическом взаимодействии частиц дисперсной фазы ГМК с положительно заряженными формами ГСА образуются сначала коагулюмы, имеющие электрокинетический потенциал в области критических значений (от –20 до +20 мВ), а затем они агрегируются (укрупняются) и формируют разновеликие и крупнодисперсные коагуляты  [2]. Степень агрегирования коагулюмов (Nm) находится в пределах от 12 до 35, а размер коагулятов (dср) изменяется от 2600 до 6000 нм. Такие проклеивающие комплексы неравномерно распределяются и непрочно фиксируются на поверхности отрицательно заряженных целлюлозных волокон, что не позволяет повысить степень удержания их в структуре бумаги и картона более 68% и диктует необходимость увеличения расходов ГМК и коагулянта для придания готовой продукции требуемой степени гидрофобности. Поэтому протекание процесса проклейки бумаги и картона в режиме гомокоагуляции повышает себестоимость производимой продукции за счет увеличения стоимостных затрат на стадию проклейки.

К перспективным способам снижения удельных расходных норм ГМК и коагулянта (сульфат алюминия) относится, по нашему мнению, способ, основанный на переводе процесса проклейки из традиционного режима гомокоагуляции в более эффективный режим гетероадагуляции, при котором роль проклеивающих комплексов выполняют не коагуляты, а мелкодисперсные и положительно заряженные пептизированные частицы. Последние способны равномерно распределяться и прочно фиксироваться на поверхности волокон, что повышает степень их удержания в структуре бумаги и картона до 90% и позволяет уменьшить расходы ГМК на 30–40% и коагулянта в 1,5–2,0 раза.

Разработанная нами технология клееных видов бумаги и картона в режиме гетероадагуляции пептизированных частиц базируется на снижении размеров проклеивающих комплексов и повышения их электрокинетического потенциала  за счет пептизации (дезагрегировании) коагулятов с последующим восстановлением проклеивающих свойств коагулюмов.

Приведенные ниже результаты исследований подтверждают выдвинутую нами научную гипотезу о возможности пептизации коагулятов, образовавшихся в первой области электролитной коагуляции ГМК, и получении из них новых проклеивающих комплексов в виде пептизированных частиц. При этом предлагается управлять процессом коагуляции нейтральных и высокосмоляных ГМК путем целенаправленного изменения содержания в дисперсной системе не только электролита (Rэл, мас. ч. / мас. ч. дисперсной фазы ГМК), но и качественным и количественным распределением форм ГСА (таблица 1) [3].

Результаты проведенных нами турбидиметрических исследований показали, что мутность (τ, см–1) дисперсной системы зависит от количества добавленного электролита (Rэл) и рН его раствора.

Установлено, что после коагуляции ГМК (первая область быстрой коагуляции), когда дисперсная система содержит электролит в количестве R1, н ≤ Rэл ≤ R1, к,  происходит пептизация коагулятов. Об этом свидетельствует снижение мутности от максимальных (τmax) до исходных (τ0) значений и уменьшение скорости коагуляции (W) до нуля при R1, к ≤ Rэл ≤ R2, н..

Таблица 1 – Влияние рН раствора электролита на содержание форм ГСА

рН

раствора электролита

Содержание форм ГСА, %

 

Al(H2O)63+

 

Al(H2O)5(OH)2+

 

Al(H2O)4(OH)2+

 

Al(H2O)3(OH)30

 

Al(H2O)2(OH)4-

1,95

100

–

-

-

-

2,70

95

5

-

-

-

3,50

90

10

-

-

-

3,75

88

12

-

-

-

4,30

85

10

5

-

-

5,30

10

40

40

10

-

6,80

-

–

20

80

-

9,10

-

-

–

60

40

 

Закономерности кинетики электролитной коагуляции ГМК позволили разработать технологию снижения степени агрегирования коагулюмов (Nm) и размеров коагулятов (dср) и повысить способность коагулятов к пептизации. Данные, представленные в таблице 2 для системы «Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н – электролит», свидетельствуют о влиянии рН раствора электролита и содержания в нем форм ГСА (таблица 1) на Nm и dср. Аналогичная тенденция характерна для гидродисперсий ТМ, ЖМ, ТМВС-2, ТМАС-3Н и Sacocell-309. Получено, что пептизация коагулятов может происходить полностью (τ = τ0 и W = 0) или частично (τmax > τ > τ0 и Wmax > W > 0). Нами впервые обнаружена область существования мелкодисперсных пептизированных частиц. В этой области τ = τ0 и W = 0. Однако последующее добавление электролита в количестве R2, н ≤ Rэл ≤ R2, к изменяет структуру пептизированных частиц, что нарушает их агрегативную устойчивость и приводит к протеканию коагуляционного процесса во второй области коагуляции.

Коагуляты, образовавшиеся в первой области коагуляции ГМК и имеющие 2 ≤ Nm ≤ 12 и 400 ≤ dср ≤ 1080 нм, пептизируются, в то время как во второй области коагуляции формируются разновеликие (5 ≤ Nm ≤ 18) и крупнодисперсные (900 ≤ dср ≤ 3200 нм) коагуляты, не способные пептизироваться.

Таблица 2 – Свойства коагулятов в зависимости от условий коагуляции

высокосмоляной гидродисперсии ТМВС-2Н

рН раст-вора элект-ролита

Rэл

рН*

дисперсной систе-

мы

Свойства коагулятов

 

R1, н

 

R1, к

 

R2, н

 

R2, к

 

Nm

 

dср, нм

Способ-

ность

пептизи-роваться

Первая область быстрой коагуляции

1,95

0,06

0,13

–

–

7,3–7,5

7–10

1350–1800

Да

2,70

0,10

0,17

–

–

7,3–7,5

6–9

1100–1620

Да

3,50

0,20

0,37

–

–

7,3–7,5

5–9

900–1620

Да

3,75

0,22

0,39

–

–

7,3–7,5

5–9

900–1620

Да

4,30

0,55

0,90

–

–

7,3–7,5

5–8

900–1400

Да

5,30

0,61

1,00

–

–

7,3–7,5

5–7

900–1300

Да

6,80

2,22

3,67

–

–

7,3–7,5

5–7

900–1300

Да

9,10

90,0

148,4

–

–

8,5–8,8

4–8

740–1400

Нет

Вторая область быстрой коагуляции

1,95

0,06

0,13

2,01

8,17

5,0–6,4

10–18

1800–3200

Нет

2,70

0,10

0,17

2,72

9,03

5,0–6,4

8–16

1450–2880

Нет

3,50

0,20

0,37

3,00

12,2

5,0–6,4

8–12

1450–2425

Нет

3,75

0,22

0,39

3,32

13,5

5,0–6,4

8–11

1450–2000

Нет

4,30

0,55

0,90

3,67

21,6

5,0–6,4

5–10

900–1800

Нет

5,30

0,61

1,00

4,48

31,2

5,5–6,4

5–10

900–1800

Нет

6,80

2,22

3,67

24,5

48,4

6,8

5–10

900–1800

Нет

9,10

90,0

148,4

Вторая область коагуляции не достигнута

 

Микрофотографии (рисунок 1) свидетельствуют о том, что при полной пептизации коагулятов выполняется условие dп ≈ d0 (оптимальный вариант), а при частичной пептизации – dп > d0.

Установлено, что для управления процессами коагуляции и пептизации в каждой конкретной дисперсной системе должно присутствовать необходимое количество форм ГСА (СГСА) (таблица 3). При этом пептизирующее действие оказывают гексаакваалюминиевые ионы Al(H2O)63+[1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Таблица 3 – Особенности обеспечения пептизации коагулятов в зависимости

от вида ГМК и условий коагуляции

 

Вид ГМК

рН*

дисперсной системы

Содержание форм ГСА (СГСА, %) в дисперсной системе

Al(H2O)63+

Al(H2O)5(OH)2+

Al(H2O)4(OH)2+

Al(H2O)3(OH)30

1

2

3

4

5

6

Коагуляция (первая область)

ТМ

6,0–6,5

–

5

30

65

ТМВС-2

7,1–7,4

–

–

5

95

ЖМ

5,7–7,5

5

10

20

65

ТМВС-2Н

7,3–7,5

3

–

4

96

ТМАС-3Н

7,3–7,5

–

–

4

96

Sacocell-309

6,1–6,5

–

5

30

65

Окончание таблицы 3

1

2

3

4

5

6

Пептизация коагулятов

ТМ

5,6–5,9

15

25

45

15

ТМВС-2

6,3–7,0

10

15

25

50

ЖМ

5,3–5,6

35

30

35

–

ТМВС-2Н

7,0–7,2

5

10

10

75

ТМАС-3Н

7,0–7,2

5

10

10

75

Sacocell-309

5,7–6,0

15

25

45

15

Коагуляция (вторая область)

ТМ

4,0–5,0

60

35

5

–

ТМВС-2

4,6–5,6

50

40

10

–

ЖМ

4,3–4,8

60

35

5

–

ТМВС-2Н

5,0–6,4

5

25

45

25

ТМАС-3Н

5,0–6,4

5

25

45

25

Sacocell-309

5,0–5,3

10

40

40

10

 

Установлено, что в зависимости от условий обеспечения пептизации коагулятов пептизированные частицы могут обладать высокой (dп ≈ d0), средней (dп > d0) или низкой (dп >> d0) агрегативной устойчивостью (таблица 4).

 

Таблица 4 – Агрегативная устойчивость пептизированных частиц

в зависимости от условий обеспечения пептизации коагулятов

 

рН

раствора электролита

Rэл

рН*

дисперс-ной

системы

Свойства пептизированных частиц

 

Rн

 

Rп, 1

 

Rп, 2

dп, нм

Агрега-тивная

устойчи-вость

при

t = 0,5 мин

при

t = 60,0 мин

1

2

3

4

5

6

7

8

Дисперсная система «Нейтральная гидродисперсия ТМ – электролит»

3,50

0,38

0,45

0,67

5,6–5,9

190

250

Средняя

3,75

0,40

0,50

0,82

5,6–5,9

190

190

Высокая

4,30

0,46

0,56

0,91

5,6–5,9

190

245

Средняя

Окончание таблицы 4

1

2

3

4

5

6

7

8

Дисперсная система «Нейтральная гидродисперсия ТМВС-2 – электролит»

5,30

1,40

1,65

2,46

6,3–7,0

580

850

Низкая

6,80

2,24

2,72

4,95

6,9–7,0

175

610

Низкая

Дисперсная система «Нейтральная гидродисперсия ЖМ – электролит»

1,95

0,38

0,61

1,65

5,3–5,6

196

355

Средняя

2,70

0,46

0,67

1,80

5,3–5,6

196

320

Средняя

3,50

0,83

0,69

2,46

5,3–5,6

250

320

Низкая

Дисперсная система «Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н – электролит»

1,95

0,14

0,16

0,45

6,5–7,2

260

440

Низкая

2,70

0,18

0,27

0,49

6,5–7,2

240

375

Низкая

3,50

0,38

0,45

1,00

6,5–7,2

180

400

Низкая

3,75

0,40

0,61

1,49

6,5–7,2

180

250

Средняя

4,30

0,91

1,35

2,23

6,5–7,2

180

180

Высокая

5,30

1,01

1,49

5,47

6,5–7,2

180

180

Высокая

6,80

3,68

9,03

13,46

6,9–7,2

180

220

Средняя

Дисперсная система «Высокосмоляная гидродисперсия ТМАС-3Н – электролит»

1,95

0,09

0,22

0,61

6,5–7,2

185

700

Низкая

2,70

0,18

0,27

0,90

6,5–7,2

500

800

Низкая

3,50

0,46

0,61

1,00

6,5–7,2

300

580

Средняя

3,75

0,68

1,00

1,82

6,5–7,2

185

185

Высокая

4,30

0,83

1,22

1,88

6,5–7,2

185

185

Высокая

Дисперсная система «Высокосмоляная гидродисперсия Sacocell-309 – электролит»

1,95

0,14

0,22

1,22

5,7–6,0

216

216

Высокая

2,70

0,23

0,37

1,28

5,7–6,0

216

216

Высокая

3,50

0,38

0,45

1,65

5,7–6,0

216

300

Средняя

3,75

0,50

0,82

2,01

5,7–6,0

216

310

Средняя

4,30

0,61

0,95

3,22

5,7–6,0

216

500

Низкая

 

Для проведения процесса проклейки бумаги и картона в кислой и нейтральной средах в режиме гетероадагуляции пептизированных частиц необходимо обеспечить выполнение основного условия – dп ≈ d0. Из таблицы 4 видно, что пептизация коагулятов начинается при строго определенном содержании в каждой конкретной дисперсной системе электролита Rн завершается при Rп, 1. Пептизированные частицы сохраняют свою устойчивость при последующем увеличении содержания электролита от Rп, 1 до Rп, 2.

Следует отметить, что пептизированные частицы являются мелкодисперсными и положительно заряженными. Об этом свидетельствуют данные, представленные в таблице 5.

 

Таблица 5 – Свойства пептизированных частиц в зависимости от вида ГМК

 

Вид ГМК

Свойства

пептизированных частиц

dп, нм

ξ, мВ

Нейтральная гидродисперсия ТМ

190

От +27 до +30

Нейтральная гидродисперсия ТМВС-2

175

От +22 до +25

Нейтральная гидродисперсия ЖМ

196

От +22 до +25

Высокосмоляная гидродисперсия ТМВС-2Н

180

От +30 до +35

Высокосмоляная гидродисперсия ТМАС-3Н

185

От +32 до +37

Высокосмоляная гидродисперсия Sacocell-309

216

От +28 до +32

 

Значения ξ-потенциала пептизированных частиц зависят от вида и количества потенциалопределяющих ионов в адсорбционном слое. Оптимальное содержание пептизирующих катионов Al(H2O)63+  составляет  3,19·10–3 и 7,88·10–4 моль/л при проклейке бумаги и картона нейтральными и высокосмоляными ГМК соответственно.

Установлено, что удельная энергия взаимодействия пептизированных частиц (–U(h0)) не превышает 10 мДж/м2 (таблица 6), что не противоречит современной теории ДЛФО. При таких условиях процесс проклейки бумаги и картона протекает в режиме гетероадагуляции пептизированных частиц.

Таблица 6 – Влияние рН раствора электролита на удельную энергию

взаимодействия пептизированных частиц (–U(h0))

РН

раствора электролита

 

h0 ·10–10, м

 

na·10–2, %

 

nп·10–2, %

 

–U(h0), мДж/м2

1,95

2,00

0,22

1,78

10,33

2,70

2,80

0,17

1,83

12,90

3,50

2,95

0,15

1,85

13,98

3,75

3,21

0,12

1,88

14,56

4,30

3,32

0,10

1,90

16,37

5,30

3,44

0,06

1,94

17,92

6,80

4,05

0,88

1,12

20,98

 

Таким образом, разработанная технология обеспечения пептизации коагулятов позволяет получить новые проклеивающие комплексы в виде мелкодисперсных (dп ≈ d0) положительно заряженных пептизированных частиц. Пептизирующее действие на коагуляты оказывают гексааквалюминиевые ионы Al(H2O)63+. При проклейке бумаги и картона в режиме гетероадагуляции пептизированных частиц снижаются удельные нормы расходов ГМК на 30–40% и коагулянта в 1,5–2,0 раза.

 

Литература

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

2 Черная, Н.В. Влияние форм гидроксосоединений алюминия на закономерности процесса электролитной коагуляции канифольной эмульсии      ТМВС-2Н // Н.В. Черная, Г.Г. Эмелло, А.И. Ламоткин // Химия и технология органических веществ: труды БГТУ. – Мн., 2003. – Вып. ХI. – Серия IV. – С. 55–59.

3 Назаренко, В.А. Гидролиз ионов металлов в разбавленных растворах / В.А. Назаренко, В.П. Антонович, Е.М. Невская. – М.: Атомиздат, 1979. – 192 с.