СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУМАЖНОЙ ОСНОВЫ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОЙ ДЛЯ ВУЛКАНИЗИРОВАНИЯ ИЛИ ПЕРГАМЕНТИРОВАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК D21B1/02 D21C5/02 D21H27/06 D21H27/10 D21H27/24 D21H25/04 

Изобретение относится к способу изготовления бумажной основы, предназначенной для вулканизирования или пергаментирования. Таким образом, оно также относится к основе, полученной с использованием процессов вулканизирования или пергаментирования.

Специалистам в данной области известны процессы вулканизирования и пергаментирования, поэтому в данной заявке они не описаны более подробно. Основным является то, что вулканизирование является операцией, состоящей в обработке бумажной основы путем погружения ее в раствор хлорида цинка, а пергаментирование - подобная операция, в которой хлорид цинка заменяют на серную кислоту. Настоящее изобретение не относится к реальным процессам вулканизирования и пергаментирования, но относится к способу изготовления полотен, которые можно обрабатывать, применяя операции этих двух типов.

Возможность обработки основы с применением процессов вулканизирования или пергаментирования зависит в основном, если не исключительно, от реакционной способности целлюлозных волокон, из которых состоит полотно, по отношению к хлориду цинка или к растворам серной кислоты. Таким образом, чем более химически активно, т.е. восприимчиво к химическим компонентам, содержащимся в ионных растворах, целлюлозное волокно, тем более удовлетворительно проходят процессы вулканизирования или пергаментирования. Реакционная способность волокнистого полотна зависит от нескольких факторов, один из которых особенно существенный - это степень полимеризации (СП) целлюлозы, из которой состоит волокно, причем последняя соответствует числу повторяющихся звеньев, составляющих молекулу полимера целлюлозы. В общем, похоже на то, что чем слабее степень полимеризации, тем более реакционно-способным является волокно.

В последующей части заявки эффективность процессов вулканизирования или пергаментирования контролируют путем оценки степени защиты, обеспечиваемой бумагой, подвергнутой вулканизированию или пергаментированию согласно технологиям, описанным ниже в примерах.

В настоящее время ряд полотен, предназначенных для вулканизирования, получают из текстильных отходов, поступающих, в основном, из «джинсовой индустрии», так как джинсы на 100% состоят из длинноволокнистого хлопка, штапельная длина которого составляет 20-50 мм. Практически лоскут, или тряпье, из джинсового производства поступает в виде кипы, которую затем рыхлят и уменьшают размеры отрезков лоскута, используя различные операции, например, резание и измельчение. После завершения этих этапов измельченные кусочки джинсовой ткани варят в растворе соды с концентрацией 7% в герметически закрытом реакторе под давлением и при температуре около 150°С. Затем следует этап промывки вываренного волокна водой до полного удаления варочного щелока. Выполнение всех этих необходимых операций такого прерывистого процесса может занимать около 24 часов.

Варочный процесс с использованием соды способствует как разъединению хлопковых волокон, так и уменьшению степени полимеризации целлюлозы. Практически, если средняя степень полимеризации хлопкового волокна, из которого состоит джинсовая ткань, до вываривания составляет около 2000, то, поскольку волокно предназначается для вулканизирования или пергаментирования, непосредственно после этапа вываривания степень полимеризации его составляет только 600. Считается, что значение 600 является в действительности достаточным для достижения реакционной способности и, следовательно, удовлетворительной способностью базовой бумаги к вулканизированию или пергаментированию.

Пучки вываренного волокна обрабатывают в водной среде для разъединения волокон, после чего отдельные волокна подвергают рафинированию, т.е. их структуру подвергают деформации путем механического воздействия, обеспечивая оптимизацию восприимчивости волокна. Суспензию, содержащую разъединенные хлопковые волокна, полученную непосредственно после этих этапов, затем напускают на сеточный транспортер бумагоделательной машины при наличии или отсутствии волокон другой или той же природы, например, древесных волокон, для образования полотна известным способом, которое затем обезвоживают и сушат до получения готовой бумажной основы.

Как было сказано выше, необходимо, до вулканизирования или пергаментирования, распределить наиболее реакционно-способное целлюлозное волокно в бумаге, причем эту реакционную способность получают путем сильного понижения степени полимеризации целлюлозных волокон.

Этап вываривания, посредством которого получают эти результаты, обладает, однако, некоторыми недостатками. Во-первых, капитальные вложения в установку промышленного реактора являются относительно высокими. Помимо этого во время процесса вываривания потребляется большое количество химических препаратов, в данном случае, соды. И, наконец, сверх всего прочего, вываривание ведет к образованию окрашенных фильтратов концентрированной соды, рН которых составляет 13,5 и удаление которых особенно сложно, и они вызывают загрязнение окружающей среды. Выход продукции после операций вываривания и промывки лоскута составляет обычно около 85%, что означает потерю исходного сырья в размере около 15%.

Другими словами, изобретение направлено на решение проблемы путем создания чистого и экономически высокоэффективного (выход продукции выше 85%) способа изготовления бумажной основы, предназначенной для вулканизирования или пергаментирования, которая была бы по меньшей мере столь же реакционно-способной относительно хлорида цинка или растворов серной кислоты, как и основы, получаемые способами, в которых используют этап химического вываривания целлюлозного волокна, обладающего высокой степенью полимеризации.

В этой связи у заявителя возникла идея заменить этап вываривания в концентрированном растворе соды этапом облучения энергией, причем этот этап облучения можно осуществлять, либо воздействуя на целлюлозное волокно в сухом состоянии непосредственно до разъединения волокна и рафинирования его в водной среде, либо воздействуя на готовую бумагу в сухом состоянии.

Другими словами, в первом варианте исполнения изобретение относится к способу изготовления бумажной основы, предназначенной для вулканизирования или пергаментирования, включающему следующие этапы:

- облучение энергией целлюлозного волокна в сухом состоянии;

- разъединение и рафинирование в водной среде облученного волокна до получения гомогенной волокнистой дисперсии;

- формование полотна из полученной волокнистой суспензии, которое затем обезвоживают и сушат для получения готовой бумажной основы.

Выражение «гомогенная волокнистая суспензия» означает суспензию, в которой целлюлозное волокно диспергировано в водном растворе до сухости около 1-10 мас.%. Суспензию называют гомогенной, поскольку волокна были правильно разъединены благодаря гидратации и механическим перемешивающим воздействиям, таким образом исключающим образование комплексов волокон.

Другими словами, способ заключается, прежде всего, в понижении степени полимеризации целлюлозного волокна путем его облучения энергией в сухом состоянии, а после достижения такой степени полимеризации, при которой реакционная способность волокна является достаточной, в разъединении волокна в водной среде и рафинировании его; в напуске волокнистой суспензии на сеточный транспортер бумагоделательной машины для формования полотна, которое затем обезвоживают и сушат.

В другом варианте исполнения изобретения целлюлозное волокно не подвергают облучению энергией до формования полотна, а после его формования подвергают прямому облучению готовую бумажную основу, предназначенную для вулканизирования или пергаментирования.

В этом случае способ включает следующие этапы:

- разъединение и рафинирование в водной среде целлюлозного волокна, содержащегося в смеси волокон, до получения гомогенной волокнистой суспензии;

- формование полотна из упомянутой суспензии, которое затем обезвоживают и сушат до получения готовой бумажной основы;

- и, наконец, облучение энергией бумажной основы.

В остальной части описания и в формуле изобретения выражение «целлюлозное волокно» означает волокно, сформированное путем обработки целлюлозы, например хлопковое волокно или любые другие волокна однолетних растений (льна, манильской пеньки), древесное волокно, причем эти волокна другого происхождения отличаются друг от друга структурными характеристиками, например формой, поперечным сечением, толщиной стенок и средней степенью полимеризации (СП) целлюлозы, из которой они состоят.

В варианте исполнения, согласно которому облучение энергией производят до получения листа, в волокнистую суспензию, содержащую целлюлозное волокно, подвергаемое облучению энергией, можно добавлять целлюлозное волокно того же происхождения, подвергнутое или не подвергнутое облучению энергией, и/или целлюлозное волокно другого происхождения, подвергнутое или не подвергнутое облучению энергией, и/или синтетическое, и/или минеральное нецеллюлозное волокно.

Практически целлюлозным волокном, подвергаемым облучению энергией, предпочтительно является волокно однолетних растений, и особенно хлопковое волокно, и оно составляет по меньшей мере 20 мас.%, а предпочтительно - по меньшей мере 50 мас.% волокнистой суспензии.

В варианте исполнения, согласно которому облучению подвергают непосредственно бумажную основу, все целлюлозные волокна, содержащиеся в бумаге, облучают электронными лучами, независимо от их происхождения. Понятно, что смесь волокон может дополнительно содержать целлюлозное волокно, синтетические и/или минеральные нецеллюлозные волокна. Практически целлюлозные волокна составляют по меньшей мере 20 мас.%, предпочтительно - по меньшей мере 50 мас.%, а наиболее предпочтительно - 100 мас.% волокнистой композиции. В предпочтительном варианте исполнения целлюлозное волокно состоит исключительно из хлопкового волокна.

Если бумажная основа содержит хлопковое волокно в качестве целлюлозного волокна, то поступление хлопкового волокна может производиться из двух существенных источников.

Прежде всего, хлопковое волокно может быть первичным хлопковым волокном, предпочтительно - длинноволокнистым, штапельная длина которого составляет 20-50 мм. Практически это хлопковое волокно изготовитель бумаги получает в сухом состоянии либо в форме листов, либо в форме спрессованной бумажной массы, содержащей, таким образом, 100% хлопкового волокна.

В этом случае облучение энергией осуществляют путем облучения электронным лучом или рентгеновским излучением.

Если облучение производят до формования листа и с использованием рентгеновского излучения, то проникновение излучения является достаточным для непосредственной обработки хлопковой массы в кипе размером 1 м³.

Если облучение производят до формования листа и посредством электронного луча, то сначала производят дефибрирование листа или спрессованной бумажной массы в сухом состоянии (до этапа облучения), и эти операции выполняют таким образом, чтобы материал, пропускаемый под лучом, имел малую поверхностную плотность потока (<0,6) и небольшую толщину потока (порядка одного сантиметра), чтобы хлопковое волокно можно было обработать равномерно и эффективно.

Как было сказано выше, бумажные основы, предназначенные для вулканизирования или пергаментирования, могут быть также благоприятно получены из хлопкового волокна, поступающего в виде отходов текстильного производства. В предпочтительном варианте исполнения хлопковое волокно, вводимое в состав волокнистой суспензии, поступает из «джинсовой индустрии». В этом случае сырьем являются лоскуты джинсового производства, спрессованные в кипы.

Практически кипу сначала рыхлят, джинсовый лоскут режут, возможно, сортируют для удаления инородных объектов, например, металлических элементов, и затем измельчают.

Если бумажную основу изготавливают в непрерывном режиме, то целлюлозное волокно, полученное после измельчения, разъединяют и рафинируют в водной среде.

Если бумажную основу изготавливают в прерывистом режиме, то волокно, полученное в результате измельчения, вновь хранят в форме кип, которые затем рыхлят, целлюлозное волокно разъединяют и окончательно рафинируют в водной среде.

В первом варианте исполнения, если облучение представляет собой облучение электронными лучами, и его осуществляют до формования бумажного листа, то облучение можно производить либо непосредственно после этапа резания и до этапа измельчения, либо непосредственно после этапа измельчения.

Во втором варианте исполнения излучение представляет собой рентгеновское излучение, которым воздействуют непосредственно на кипу, содержащую резаный и измельченный лоскут джинсового материала.

Как было сказано выше, реакционная способность целлюлозного волокна зависит от его степени полимеризации (СП).

Заявителем установлено, что для получения хлопкового волокна, обработанного облучением энергией, которое стало бы столь же реакционно-способным, как и волокно, обработанное путем вываривания, необходимо снизить степень полимеризации ниже уровня того же параметра вываренного волокна.

Кроме того, как об этом уже было сказано, известно, что степень реакционной способности хлопкового волокна не обязательно должна быть на одном и том же уровне, независимо от того, предназначено ли оно для вулканизирования или для пергаментирования.

Кроме того, заявителем замечено, что для достижения одинакового уровня реакционной способности степень полимеризации целлюлозного волокна, поглотившего заданную дозу облучения до формования листа, была выше степени полимеризации того же самого волокна, поглотившего ту же дозу облучения в готовой бумаге.

Случай, при котором хлопковое волокно подвергают облучению энергией (облучению электронным лучом или рентгеновским излучением) до формования листа.

Если степень полимеризации вываренного волокна, предназначенного для вулканизирования, составляет порядка 600, то для достижения реакционной способности, по меньшей мере равной реакционной способности того же волокна, подвергнутого облучению энергией, необходимо снизить степень полимеризации до значения в пределах 350-500, предпочтительно - 450. Для достижения таких значений степени полимеризации доза облучения, поглощенного хлопковым волокном, должна составлять в пределах 10-30 кГр.

Степень полимеризации целлюлозного волокна, обработанного вывариванием и предназначенного для пергаментирования, составляет около 1000. Для достижения реакционной способности по отношению к концентрированной серной кислоте, по меньшей мере равной реакционной способности того же самого волокна, подвергнутого облучению энергией, необходимо снизить эту степень полимеризации до значения 700, чтобы доза облучения, поглощенного волокном, составляла в пределах 5-20 кГр.

Обычно доза облучения, поглощенного целлюлозным волокном, необходимая для получения оптимальной реакционной способности основы по отношению к вулканизированию и пергаментированию, зависит от условий обработки и, в частности, от типа используемого оборудования.

Случай, при котором хлопковое волокно подвергают облучению после формования листа

Если бумажный лист, изготовленный только из хлопкового волокна, предназначен для вулканизирования, то степень полимеризации волокна, из которого состоит полученный бумажный лист, составляет менее 700, предпочтительно - в пределах 200-300, более предпочтительно - 250. Заявителем замечено, что для достижения такого значения доза облучения, поглощенного хлопковым волокном, должна составлять в пределах 10-50 кГр. Однако эти значения могут быть применимы только в случае вулканизирования.

В случае пергаментирования, если бумагу изготавливают только из хлопкового волокна, то степень полимеризации волокна, из которого состоит полученный бумажный лист, составляет в пределах 400-600, а предпочтительно - 500. Заявителем замечено, что для достижения такого значения доза облучения, поглощенного хлопковым волокном, должна составлять в пределах 5-30 кГр.

Способ изготовления бумажной основы согласно изобретению, в зависимости от того, производят ли облучение энергией до или после формования листа, можно осуществлять непрерывно или прерывисто.

Изобретение и его преимущества, получаемые при его использовании, станут более понятными при ознакомлении со следующими примерами осуществления изобретения.

Пример 1

В этом примере способ выполняют прерывисто, и он состоит из разрезания текстильных отходов, удаления посторонних предметов и измельчения лоскута до формирования кипы. Эту последовательность этапов выполняют непрерывно с использованием соответствующих резальных, сортировочных и измельчающих машин, известных специалистам в данной области.

Этап упаковки в кипы облегчает хранение подготовленного к использованию сырьевого материала до выполнения последующего этапа диспергирования волокна в водной среде.

Когда изготовитель бумаги вновь берет кипу джинсовых отходов, он разбивает ее в сухом состоянии так, чтобы кипа была разрыхлена. Лоскут джинсового материала затем разделяют, дефибрируют, а затем рафинируют в водной среде; полученную волокнистую суспензию затем подают в бумагоделательную машину, на которой после обезвоживания и сушки получают готовую бумагу.

В известных способах полученные измельченные кусочки джинсовой ткани после рыхления кипы в сухом состоянии подвергают этапу вываривания в варочном котле при температуре около 150°С в растворах соды концентрацией до 7%; затем полученную массу промывают и подвергают дефибрированию и, наконец, рафинируют в водной среде.

В примерном варианте исполнения способа согласно настоящему изобретению эти этапы вываривания и промывки заменяют этапом облучения электронными лучами.

Этот этап облучения может быть выполнен путем обработки хлопкового волокна до изготовления бумаги, и его можно выполнять либо непосредственно после этапа хранения, либо непосредственно после этапа измельчения, либо прямо на готовом листе.

Пример 2

В этом примере бумагу, которую предполагают вулканизировать, изготавливают полностью из 100% хлопкового волокна, обработанного либо путем вываривания, либо путем облучения до формования листа.

А) Способ

Для двух образцов были определены степень полимеризации вываренного хлопкового волокна и волокна, подвергнутого облучению электронным лучом, до операции трансформации бумаги путем вулканизирования, а также реакционная способность готового листа после вулканизирования. Степень полимеризации хлопкового волокна определяли путем вычислений с учетом измеренных показателей вязкости раствора на основе куприэтилендиамина (CED), в котором растворяли целлюлозное волокно.

Испытания, по результатам которых определяли степень полимеризации, выполняли следующим образом:

- помещали волокно в полиэтиленовую емкость, содержавшую 10 мл деионизированной воды, при перемешивании;

- затем добавляли 10 мл куприэтилендиамина;

- удаляли воздух из емкости, сжимая ее стенки;

- закрывали емкость пробкой;

- перемешивали раствор в течение 40 минут до тех пор, пока волокна не растворялись полностью;

- фильтровали раствор с использованием механического фильтра;

- измеряли вязкость нижней части фильтрата, используя капиллярный вискозиметр CANON-FENSKE 200.

Реакционную способность бумаги (DL) оценивали после вулканизирования путем измерения уровня защиты с использованием окрашенного растворителя. Испытания производили следующим образом:

- готовили образец бумаги для испытаний размером 10×10 см;

- укладывали одной стороной образец испытываемой бумаги на копировальную бумагу;

- наносили окрашенный раствор терпентина на всю поверхность бумаги, подвергаемой испытанию; время контакта составляло 3 минуты.

Оценки приведены в таблице 1:

Таблица 1ОценкаСторона испытываемого образца бумагиКопировальная бумага5Отсутствие пятенОтсутствие пятен44 пятна максимумОтсутствие пятен3Несколько пятенОтсутствие пятен2-4 пятна максимум1-Несколько пятен0-1-2 пятна размером 5-20 мм-1-Более 2 пятен размером 5-20 мм-2-Размер пятен больше 200 мм-3-Вся поверхность окрашена

Обычно чем больше значение DL бумаги, преобразованной вулканизированием, тем выше реакционная способность базовой бумаги. Реакционная способность бумаги затем определяли по уровню защитной способности полученной готовой продукции.

В) Результаты измерений

1) Показатели СП и DL, касающиеся волокна, облученного различными дозами поглощенной энергии до формования листа, приведены в следующей таблице 2.

Таблица 2Доза, кГрПоверхностная плотность, г/м²Степень полимеризации (СП)DL011120100101096401151095252201075152251123702301103903501103303

Из результатов видно, что для достижения степени реакционной способности бумаги, обработанной облучением того же уровня, как и у бумаги, полученной из вываренного волокна (DL=3), необходимо снизить степень полимеризации обработанного волокна до значения около 390.

2) Значения степени полимеризации и DL бумаги, хлопковое волокно которой было выварено или обработано электронным лучом, приведены в следующей таблице 3, но следует помнить, что степень полимеризации оценивали по волокну до трансформации бумаги путем вулканизирования.

Таблица 3 Степень полимеризацииDL1 Вываренное хлопковое волокно60032 Облученная бумага, доза 50 кГр25033 Облученное волокно, доза 30 кГр3903

Примеры 2 и 3 таблицы показывают разницу, имеющую место при облучении сырьевого материала до изготовления бумаги, в сравнении с облучением готовой бумаги. Для достижения того же уровня преобразования бумаги после вулканизирования, т.е., можно сказать, для достижения того же уровня реакционной способности бумаги, намного более значительную дозу облучения необходимо было сообщить готовой бумаге, чем сырьевому материалу.

Пример 3

В этом примере бумагу, которую предполагали пергаментировать, изготавливали полностью из 100% хлопкового волокна, обработанного путем облучения до формования листа.

А) Способ

Образцы характеризовались степенью полимеризации хлопкового волокна, подвергнутого облучению электронным лучом до операции преобразования бумаги путем пергаментирования, а также реакционной способностью листа в отношении к пергаментированию.

Степень полимеризации (СП) хлопкового волокна определяли путем вычислений с учетом измеренных показателей вязкости раствора на основе куприэтилендиамина (CED), в котором растворяли целлюлозное волокно.

Реакционную способность бумаги (DL) оценивали после пергаментирования путем измерения защитного уровня с использованием окрашенного растворителя.

В) Результаты измерений.

Таблица 4Доза, кГрСтепень полимеризацииDL020101106405304005503205

Как видно, при облучении хлопкового волокна электронами до изготовления бумаги доза в 10 кГр достаточна для понижения степени полимеризации целлюлозы ниже 700, что делает ее способной к хорошему уровню пергаментирования.

Способ (вариант) касается изготовления бумажной основы, предназначенной для вулканизирования или пергаментирования, и может быть использован в целлюлозно-бумажной промышленности. Способ включает следующие этапы. Облучение энергией целлюлозного волокна в сухом состоянии. Дефибрирование и рафинирование в водной среде облученного волокна до получения гомогенного волокнистого раствора. Формование полотна из полученной волокнистой суспензии, которое затем обезвоживают и сушат для получения готовой бумажной основы. По другому варианту бумажную основу после формования бумажного полотна подвергают облучению для понижения степени полимеризации волокна. Техническим результатом является создание чистого и экономически высокоэффективного процесса изготовления бумажной основы для ее вулканизации или пергаментирования, а также снижение загрязнения окружающей среды. 6 н. и 22 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Способ изготовления бумажной основы, предназначенной для вулканизирования или пергаментирования, включающий следующие этапы:

облучение энергией целлюлозного волокна в сухом состоянии;

разъединение и рафинирование в водной среде облученного волокна до получения гомогенной волокнистой суспензии;

формование полотна из полученной волокнистой суспензии, которое затем обезвоживают и сушат для получения готовой бумажной основы.

разъединение и рафинирование в водной среде целлюлозного волокна, содержащегося в смеси волокон, до получения гомогенной волокнистой суспензии;

формование полотна из суспензии, которое затем обезвоживают и сушат до получения готовой бумажной основы;

понижение степени полимеризации волокна путем облучения энергией бумажной основы.

26 Использование бумаги, полученной способом согласно любому из пп.14-22, для вулканизирования.