СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУМАГИ ДЛЯ ПЕЧАТИ Российский патент 2003 года по МПК D21H23/02 D21H21/16 D21H17/26 D21H17/64 D21H17/62 D21H17/67 

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности, в частности к способам производства наполненных видов печатной бумаги, например, типографской, офсетной или газетной бумаги.

Известен способ изготовления бумаги для печати, включающий обработку каолина карбоксиметилцеллюлозой в водной среде при перемешивании с последующим введением в каолиновую суспензию водного раствора хлорида натрия или калия, смешение обработанной каолиновой суспензии с суспензией волокнистого полуфабриката, отлив бумажного полотна и сушку (RU 2101409, М. кл. D 21 H 11/00, 10.01.1998).

При этом обработку каолина осуществляют при интенсивности перемешивания, соответствующей критерию Рейнольдса 72000-78000, а введение водного раствора хлорида натрия или калия осуществляют при t=40-50^oС.

Известным способом получают, например, офсетную бумагу с использованием в качестве проклеивающего агента - канифольный клей, достаточно высокого качества.

Однако использовать в качестве наполнителя карбонат кальция при производстве бумаги для печати известным способом проблематично.

Одной из трудностей применения карбоната кальция в качестве наполнителя бумаги в кислой среде является то, что он реагирует с квасцами и сульфитом алюминия, при этой реакции выделяется углекислый газ, что является причиной вспенивания бумажной массы. Повышенное пенообразование представляет собой главное препятствие для широкого использования карбоната кальция при производстве бумаги традиционным кислым способом. Устранить нежелательное пенообразование можно при изготовлении бумаги в нейтрально-щелочной среде.

В то же время карбонат кальция рекомендуется к применению в производстве бумаги, благодаря ряду положительных свойств, таких как высокая степень белизны, небольшая твердость, возможность регулирования гранулярного состава природных продуктов и высокая дисперсность химически осажденного карбоната, нетоксичность, безвредность, низкая стоимость природного карбоната кальция и большие запасы природного сырья.

В настоящее время известны устойчивые водные дисперсии на основе канифоли, при применении которых можно осуществлять проклейку бумаги, наполненную карбонатом кальция (WO 99/37857, М. кл. D 21 H 17/71, 29.07.1999).

Известная водная дисперсия - канифольный клей, модифицированный многоатомными спиртами - обладает оптимальными свойствами для проведения проклейки в нейтральной среде (рН 6,7-7,1) и обеспечивает возможность регулирования степени проклейки от более низкой (0,8 мм) до высокой (2 мм).

Ближайшим аналогом настоящего изобретения является способ изготовления бумаги для печати, включающий обработку карбоната кальция карбоксиметилцеллюлозой в водной среде при перемешивании, смешение обработанного карбоната кальция с суспензией волокнистой массы и проклеивающим агентом в нейтральной среде, отлив бумажного полотна и его сушку (RU 2146316, М. кл. D 21 H 17/24, 30.03.2000).

В известном способе обработку карбоната кальция осуществляют путем его добавления к водному раствору карбоксиметилцеллюлозы; время смешения от 1 мин до 6 ч (оптимальное время от 15 мин до 3 ч); температура смешения 5-95^oС (оптимальная температура 20-60^oС). При этом карбоксиметилцеллюлозу берут в количестве 0,01-5% по отношению к сухой массе карбоната кальция, а в качестве проклеивающего агента используют димер алкилкетена. Щелочная бумага, полученная известным способом, обладает высокой прочностью за счет обработки мелкодисперсных частиц неорганического наполнителя - карбоната кальция - карбоксиметилцеллюлозой.

Однако в известном способе происходит недостаточная фиксация используемого анионного полимерного вещества на поверхности минеральных частиц. В таком случае возможен переход полимера в водную фазу при смешении с суспензией волокнистого полуфабриката, что может привести к нежелательному эффекту - снижению удержания наполнителя, а следовательно, ухудшению печатных и оптических свойств.

Новым техническим результатом от использования настоящего изобретения является улучшение печатных свойств щелочной бумаги за счет повышения удержания модифицированного наполнителя, обеспечивающего хорошую сомкнутость листа бумаги, при одновременном улучшении технологичности бумаги в процессе ее переработки за счет снижения показателя скольжения.

Этот результат достигается тем, что в способе изготовления бумаги для печати, включающем обработку карбоната кальция карбоксиметилцеллюлозой в водной среде при перемешивании, смешение обработанного карбоната кальция с суспензией волокнистой массы и проклеивающим агентом в нейтральной среде, отлив бумажного полотна и его сушку, согласно изобретению, обработку карбоната кальция карбоксиметилцеллюлозой в водной среде осуществляют в присутствии смеси сульфата натрия и хлорида натрия при их соотношении от 1:1 до 1: 3 и расходе указанной смеси 2,8-3,0% от массы абсолютно сухой (а.с.) карбоксиметилцеллюлозы, а в качестве проклеивающего агента используют канифольный клей, модифицированный α,β-ненасыщенными карбонильными соединениями и многоатомным спиртом.

При этом обработку карбоната кальция осуществляют при интенсивности перемешивания, соответствующей критерию Рейнольдса 72000-78000, и температуре от 40 до 50^oС, а расход карбоксиметилцеллюлозы составляет 2,5-5,0% от массы абсолютно сухого карбоната кальция.

Модифицирование карбоната кальция осуществляют следующим образом: распущенную карбоксиметилцеллюлозу загружают в воду для получения 2,0-2,5% водного раствора карбоксиметилцеллюлозы при температуре 65-75^oС. Растворение карбоксиметилцеллюлозы осуществляют при перемешивании. Затем водный раствор карбоксиметилцеллюлозы вводят в суспензию карбоната кальция и при интенсивности перемешивания, соответствующей критерию Рейнольдса 72000-78000, осуществляют его обработку в течение 0,5-1,5 ч. В обработанный таким образом карбонат кальция при температуре 40-50^oС вводят в сухом виде смесь солей сульфата натрия и хлорида натрия в количестве 2,8-3,0% от массы а.с. карбоксиметилцеллюлозы и перемешивают в течение 10-15 мин.

Модифицированный таким образом карбонат кальция смешивают с суспензией волокнистого полуфабриката и из полученной бумажной массы отливают бумажное полотно и сушат его.

При необходимости в волокнистую массу могут быть введены любые необходимые вспомогательные вещества.

В предлагаемом способе, как и в способе-прототипе - для модификации карбоната кальция используют карбоксиметилцеллюлозу - полимерное анионоактивное вещество.

Однако в предлагаемом способе после обработки наполнителя водным раствором карбоксиметилцеллюлозы в перемешиваемую смесь предлагают вводить смесь сульфата натрия и хлорида натрия, представляющих собой соли сильных кислот и сильного основания.

При микрокапсулировании неорганического наполнителя - карбоната кальция, имеющего форму частиц ромбо-эдрическую (округлую), обволакивание частиц коацерватом (карбоксиметилцеллюлозой) происходит недостаточно полно, оболочки утончаются у граней твердых частиц. Такие деформированные частицы мела плохо осаждаются и удерживаются на волокне. В связи с чем для более полного закрепления микрокапсулированной частицы из наполнителя (мела) и полимерной оболочки (натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы) добавляют в качестве коацервирующих агентов смесь солей - Nа₂SO₄ и NaCl.

Известна двухступенчатая обработка каолина карбоксиметилцеллюлозой и водным раствором хлорида натрия или калия. Однако такая обработка карбоната кальция не обеспечивает необходимую степень развернутости статического клубка полимера и, как следствие, не дает возможности получить достаточного числа ионогенных групп для дальнейшей коацервации и фиксации наполнителя на полимере.

С учетом формы частиц наполнителя (карбоната кальция) и применена более сильная смесь солей коацервирующих агентов.

Микрокапсулирование - процесс заключения мелких частиц вещества в тонкую оболочку пленкообразующего материала. В качестве материала оболочек могут использоваться любые вещества, обладающие пленкообразующими свойствами в условиях микрокапсулирования. Типичными материалами оболочек являются органические полимеры - белки, полисахариды, воски, производные целлюлозы, поливиниловый спирт, полиэфиры и различные сополимеры.

Основные особенности полиэлектролитов в общих чертах сводятся к следующему. В воде их макромолекулы существуют в виде частично свернутого статического клубка и могут обменивать протоны и другие ионогенные группы на ионы окружающей среды и таким образом приобретать заряд. Образовавшиеся заряженные цепи способны в водном растворе удерживать различное число ориентированных диполей воды, сила притяжения которых зависит от степени их удаленности от макромолекулы. Величина электростатического заряда макромолекулы зависит от рН водной среды. Путем же модификации (введения солей) полимера можно изменять как природу его ионогенных групп, так и их число.

Один из первых разработанных способов микрокапсулирования основан на явлении коацервации (скопление или объединение). Простая коацервация может быть вызвана введением в раствор полиэлектролита низкомолекулярного вещества, обладающего значительным сродством к молекулам воды, такого как соль.

По эффективности коацервирующего действия катионы располагаются в последовательности Na>K>Rb>Cs>NH₄>Li и соли на их основе: Na₂SO₄, Na₂SO₃, Na₂S₂O₃, NaCl, К₂СО₃, КСl, NH₄Cl.

Использование в предлагаемом способе в качестве проклеивающего агента канифольного клея, модифицированного α,β-ненасыщенными карбонильными соединениями и многоатомным спиртом, выпускаемого по ТУ-2454-001-44408713-99, в сочетании с модифицированным карбонатом кальция позволяет проводить эффективную проклейку наполненной бумаги в нейтральной среде рН 6,7-7,1. Одновременно введение таким образом модифицированного наполнителя в волокнистую массу обеспечивает бумажному листу высокое удержание наполнителя, высокую прочность и необходимые печатные свойства бумаги, обеспечиваемые хорошей сомкнутостью листа.

Настоящее изобретение иллюстрируется следующими примерами:
Пример 1
Способ изготовления офсетной бумаги осуществляют следующим образом:
а) распущенную карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ) в виде ее натриевой (Na) соли в количестве 4,5 кг/т, что составляет 2,5% от массы а.с. мела, загружают в воду для получения 2,0%-ного водного раствора карбоксиметилцеллюлозы. Процесс растворения карбоксиметилцеллюлозы осуществляют при перемешивании и температуре 65^oС.

Полученный водный раствор вводят в суспензию карбоната кальция, расход которого составляет 180 кг/т. Коэффициент интенсивности перемешивания составляет 72000 (Re). Время обработки составляет 1,0 ч. После снижения температуры суспензии мела до 40^oС вводят смесь солей Na₂SO₄ и NaCl в сухом виде при соотношении 1:1 в количестве 126 г/т (что составляет 2,8% от а.с. NaKMЦ) и перемешивают в течение 10 мин,
б) обработанную суспензию мела смешивают с 2,2%-ной суспензией бисульфитной целлюлозы из смеси хвойных и лиственных пород древесины в количестве 80-85% и 20-25% соответственно со степенью помола 26-28^oШР.

В бумажную массу в качестве проклеивающего агента вводят канифольный клей, модифицированный α,β-ненасыщенными карбонильными соединениями и многоатомным спиртом в количестве 1,1% и сернокислый глинозем в количестве, необходимом для достижения степени проклейки 1,4 мм.

Затем осуществляют отлив бумажного полотна и его сушку.

Показатели полученной офсетной бумаги массой 80 г/м² приведены в таблице.

Пример 2
Способ изготовления офсетной бумаги массой 65 г/м² осуществляют аналогично примеру 1 с той лишь разницей, что:
расход NаКМЦ составляет 7 кг/т (3,5% от массы а.с. мела);
расход мела составляет 200 кг/т;
расход Na₂SO₄ и NaCl при соотношении 1,0:3,0 составляет 196 г/т (2,8% от а.с. NaKMЦ);
коэффициент интенсивности перемешивания составляет (Re) 78000.

Показатели качества полученной офсетной бумаги приведены в таблице.

Пример 3
Способ изготовления офсетной бумаги массой 60 г/м² осуществляют аналогично примеру 1 с той лишь разницей, что:
расход NaKMЦ составляет 10,0 кг/т (5,0% от а.с. мела);
расход мела составляет 200 кг/т;
расход Na₂SO₄ и NaCl при соотношении 1:2,5 составляет 300 г/т (3,0% от NaKMЦ);
коэффициент интенсивности составляет (Re) 78000;
температура смеси при введении солей - 50^oС.

Показатели качества полученной офсетной бумаги приведены в таблице.

Пример 4
Способ изготовления офсетной бумаги массой 60 г/м² осуществляют аналогично примеру 1 с той лишь разницей, что:
расход NaKMЦ составляет 10 кг/т (5,0% от а.с. мела);
расход мела составляет 200 кг/т;
в обработанный карбоксиметилцеллюлозой карбонат кальция при температуре 50^oС вводят в сухом виде хлорид натрия или калия в количестве 300 г/т, что составляет 3,0% от а.с. NaKMЦ.

Показатели качества полученной офсетной бумаги приведены в таблице.

Пример 5
Способ изготовления офсетной бумаги массой 80 г/м² осуществляют аналогично примеру 1 с той лишь разницей, что:
расход NaKMЦ составляет 7,0 кг/т (3,2% от а.с. мела);
расход мела составляет 220 кг/т;
расход Na₂SO₄ и NaCl при соотношении 1,0:2,0 составляет 210 г/т (3,0% от а.с. NaKMЦ);
коэффициент интенсивности составляет (Re) 78000.

Показатели качества полученной офсетной бумаги приведены в таблице.

Пример 6 (контрольный)
Способ изготовления офсетной бумаги массой 60 г/м² осуществляют аналогично примеру 1 с той лишь разницей, что:
расход NaKMЦ составляет 10 кг/т (5,0% от а.с. каолина);
расход каолина составляет 200 кг/т;
расход КСl составляет 750 г/т (7,5% от а.с. NaKMЦ).

Смесь волокнистых полуфабрикатов представляет собой смесь 50% сульфитной хвойной целлюлозы (26^oШР) и 50% дефибрерной древесной массы (70^oШР). В бумажную массу вводят канифольный клей и сернокислый глинозем в количестве, необходимом для достижения степени проклейки 0,8 мм.

Показатели качества полученной бумаги представлены в таблице.

Пример 7 (контрольный)
Способ изготовления офсетной бумаги массой 70 г/м² осуществляют аналогично примеру 1 с той лишь разницей, что:
в бумажную массу в качестве проклеивающего агента вводят димер алкилкетена в количестве, необходимом для достижения степени проклейки 1,4 мм.

Показатели качества полученной бумаги представлены в таблице.

Анализ таблицы показывает, что предлагаемый способ изготовления бумаги для печати позволяет получить бумагу с более качественными показателями, такими как:
- показатель скольжения бумаги по изобретению составляет 3,9-4,2 мкм (определяемый показатель шероховатости PPS) - примеры 1,2,3,5 - против 3,5 мкм у бумаги по контрольному варианту;
- стойкость поверхности к выщипыванию в сравниваемых вариантах (пример 2 по изобретению и пример 7 контрольный) соответственно составляет 2,3 и 1,8 м/с;
- воздухопроницаемость бумаги по изобретению (пример 3) и бумаги контрольного варианта 4, где в качестве коацерванта используют только NaCl, соответственно 300 и 360 мл/мин, что говорит о разной степени наполнения бумаги.

Таким образом анализ показывает, что за счет заявленной совокупности признаков обеспечено повышение удержания модифицированного наполнителя, обеспечивающего хорошую сомкнутость листа бумаги при одновременном обеспечении повышения стойкости поверхности к выщипыванию и снижения показателя скольжения.

Способ касается производства наполненных видов печатной бумаги, например, типографской, офсетной или газетной бумаги, и может быть использован в целлюлозно-бумажной промышленности. Карбонат кальция обрабатывают карбоксиметилцеллюлозой при перемешивании в водной среде в присутствии смеси сульфата и хлорида натрия при их соотношении соответственно от 1:1 до 1:3 и расходе смеси 2,8-3,0% от массы абсолютно сухой карбоксиметилцеллюлозы. Обработанный карбонат кальция смешивают с суспензией волокнистой массы и проклеивающим агентом в нейтральной среде. В качестве проклеивающего агента используют канифольный клей, модифицированный α,β-ненасыщенными карбонильными соединениями и многоатомным спиртом. Техническим результатом является улучшение печатных свойств щелочной бумаги за счет повышения удержания модифицированного наполнителя, обеспечивающего хорошую сомкнутость листа бумаги и снижение показателя скольжения. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ изготовления бумаги для печати, включающий обработку карбоната кальция карбоксиметилцеллюлозой в водной среде при перемешивании, смешение обработанного карбоната кальция с суспензией волокнистой массы и проклеивающим агентом в нейтральной среде, отлив бумажного полотна и его сушку, отличающийся тем, что обработку карбоната кальция карбоксиметилцеллюлозой в водной среде осуществляют в присутствии смеси сульфата натрия и хлорида натрия при их соотношении от 1:1 до 1:3 и расходе указанной смеси 2,8-3,0% от массы абсолютно сухой карбоксиметилцеллюлозы, а в качестве проклеивающего агента используют канифольный клей, модифицированный α,β-ненасыщенными карбонильными соединениями и многоатомным спиртом. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку карбоната кальция осуществляют при интенсивности перемешивания, соответствующей критерию Рейнольдса 72000-78000. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанную обработку карбоната кальция осуществляют при температуре от 40 до 50^oС. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что карбоксиметилцеллюлозу берут в количестве 2,5-5,0% от массы абсолютно сухого карбоната кальция.