Способ введения наполнителя при аэродинамическом формовании бумаги Российский патент 2017 года по МПК D21F11/00 D21H17/25 D21H17/28 D21H19/06 D21H23/40 D21H27/22 

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности и предназначено для нанесения наполнителя в качестве покрытия на одну сторону полотна бумаги при производстве бумаги аэродинамическим способом формования с целью повышения оптических свойств бумаги (белизны и непрозрачности) и печатных свойств бумаги (стойкости к выщипыванию и гладкости). Бумага с односторонним мелованным слоем используется при изготовлении, например, афиш и этикеток.

Известен аэродинамический способ изготовления бумаги для глубокой печати (патент RU 2100508, D21H 27/00, 27/10, D21F 11/00, D21B 1/00, опубл. 08.12. 94, пример 4, 5), включающий увлажнение целлюлозной папки до влажности 50% масс. водным раствором полиакриламида концентрацией 0.1% масс., диспергирование папки до образования волокнистой аэровзвеси, смешение аэровзвеси волокон целлюлозы с аэровзвесью наполнителя, обработанного канифольным клеем в количестве 0.5% масс., формование бумажного полотна, его увлажнение водой, прессование и сушку.

Удержание наполнителя в волокнистом слое составляет не более 80%. Наполнитель не образует на поверхности листа мелованного слоя, так как равномерно распределен в структуре бумаги. Бумага предназначена для использования в качестве типографской, обойной бумаги и упаковочного картона и по показателям качества не соответствует мелованной бумаге.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ введения наполнителя в бумагу (патент RU 2426828, D21H 11/00, 17/69, 17/25, 17/28, 21/10, 21/14, 21/20, 23/02, 27/00, опубл. 20.08.2011, пример 3 - прототип, авторов Малиновской Г.К., Литвиновой Л.В., Дробосюка В.М.). При аэродинамическом формовании бумаги из природных волокон и наполнителя целлюлозосодержащий полуфабрикат в виде воздушно-сухих листов целлюлозы увлажняют водой до влажности 48-50%. Наполнитель (мел) модифицируют водным раствором натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (NaКМЦ). Мел при интенсивном перемешивании добавляют в водный раствор NaКМЦ, концентрацией 0,5-1.0% до получения пастообразной массы при массовом соотношении мела и NaКМЦ, 100: 1-2. Продукт взаимодействия мела с водным раствором NaКМЦ (далее, модифицированный мел) подвергают сушке и измельчают в порошок. Полученный порошок вводят в диспергатор вместе с целлюлозным материалом при аэроформовании волокнистого слоя. Количество мела, подаваемого в диспергатор в виде порошка, составляет 10-30% от массы воздушно-сухих целлюлозных волокон. Сформованный волокнистый слой увлажняют водным раствором крахмала концентрацией 0.7-1.3% между двух сукон, прессуют, сушат. Бумага предназначена для производства печатных видов бумаги аэродинамическим способом формования, но качественные показатели не отвечают требованиям, предъявляемым к мелованным видам бумаги.

На формующей сетке при производстве бумаги методом аэродинамического формования образуется волокнистый слой с равномерно распределенными по толщине слоя частицами модифицированного мела, так как в диспергаторе произошло смешение мела с отдельными волокнами. Мелованный слой на поверхности бумаги не образуется. Введение наполнителя в структуру полотна бумаги придает бумаге белизну и непрозрачность, необходимые для использования в качестве печатной бумаги. Однако качество бумаги не соответствует требованиям, предъявляемым к мелованным видам бумаги по стойкости к выщипыванию и гладкости поверхности.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является придание бумаге стойкости к выщипыванию и гладкости за счет образования поверхностного слоя из модифицированного мела и обработки волокнистого слоя с покрытием водным раствором крахмала при одновременном увеличении белизны и непрозрачности.

Мел обладает природной высокой белизной и высоким коэффициентом преломления света, что обеспечивает диффузное отражение света поверхностью бумаги с поверхностным слоем из модифицированного мела (белизна и непрозрачность). Образование сомкнутого поверхностного слоя из модифицированного мела на волокнистом слое, обработанного водным раствором крахмала, препятствует прохождению потока воздуха сквозь испытуемый образец бумаги, что положительно влияет на показатель воздухопроницаемости и шероховатости поверхности, характеризующей гладкость. Поверхностный слой из модифицированного мела после обработки водным раствором крахмала обладает повышенными адгезионными силами в бумаге, чем работа разрыва красочного слоя при печати, таким образом, обеспечивая прочность поверхности к выщипыванию.

Поставленная задача решается тем, что в способе введения наполнителя при аэродинамическом формовании бумаги проводят обработку продуктом взаимодействия мела с водным раствором натрий карбоксиметилцеллюлозы, увлажняют целлюлозный полуфабрикат водой до влажности 48-50%, проводят разделение полученного полуфабриката до образования влагонасыщенной аэровзвеси волокон с последующим формованием волокнистого слоя, который увлажняют между двух сукон водным раствором крахмала концентрацией 0.9-1.1% с последующим прессованием и сушкой полотна бумаги, причем обработку продуктом взаимодействия мела размером частиц 4.5-5.5 мкм с водным раствором натрий карбоксиметилцеллюлозы осуществляют напылением из расчета 10-40 г/м² на одну из поверхностей сформованного волокнистого слоя перед стадией увлажнения.

Напыление модифицированного мела на поверхность осуществляют для полуфабриката лиственной целлюлозы при массе волокнистого слоя не менее 40 г/м², для полуфабриката хвойной целлюлозы при массе волокнистого слоя не менее 60 г/м².

В качестве наполнителя используют химически осажденный мел с узким распределением частиц по размеру (4.5-5.5 мкм), обработанный водным раствором натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы. Водорастворимое связующее (катионный крахмал) используют для двухстороннего увлажнения полотна бумаги через сукна, что обеспечивает высокую адгезию покрытия к основе. Целлюлозосодержащим полуфабрикатом может являться целлюлоза хвойных или лиственных пород древесины.

Напыление слоя модифицированного мела на сформованный волокнистый слой осуществляют аэродинамическим формованием согласно технологии производства бумаги.

Формование волокнистого слоя из целлюлозного полуфабриката осуществляют в потоке влагонасыщенного воздуха путем осаждения влажных индивидуальных волокон на формующую сетку. На сформованный волокнистый слой плотностью 60-100 г/м³ наносят модифицированный мел из расчета 10-40 г/м² равномерным напылением частиц мела на поверхность с образованием мелованного слоя. Напыление частиц мела осуществляют с помощью устройства, например, диспергатора, используемого в способе аэродинамического формования бумаги (Пат. №2154706 РФ. Заявл. 16.11.1998; опубл. 20.08.2000. Бюл. №23.) Значение зольности бумаги и массы мела на метр квадратный поверхности волокнистого слоя задают количеством мела, загруженного в диспергатор. Удержание мела с размером частиц 4.5-5.5 мкм на поверхности слоя волокон зависит от веса квадратного метра волокнистого слоя и от средней ширины волокон (см. далее в примерах табл. 2).

При определенном значении веса квадратного метра волокнистого слоя средний размер сквозных межволоконных пор становится меньше среднего диаметра частиц наполнителя. В этом случае удержание наполнителя приближается к 100%, что позволяет проводить аэродинамическое мелование волокнистого слоя.

Увлажнение волокнистого слоя со слоем модифицированного мела на одной из поверхностей полотна бумаги перед прессованием проводят водным раствором катионного крахмала концентрацией 0.9-1,1%. Получают мелованную бумагу, качество которой определяют по соответствующим ГОСТам (см. далее в табл. 3).

Для образцов из хвойного полуфабриката с массой волокнистого слоя 60 г/м² и наибольшей массой мелованного слоя 40 г/м² при зольности 30% проводят увлажнение водным раствором крахмала с концентрацией 0.9%, 1.0%, 1.1% для выбора оптимальной концентрации раствора крахмала, пригодной для проведения всех экспериментов (см. табл. 1). По результатам действия водного раствора крахмала на стойкость поверхностного слоя к выщипыванию выбрана оптимальная концентрация раствора крахмала, равная 1.0%. Использование концентрации водного раствора крахмала 0.7% нецелесообразно ввиду того, что показатель стойкости поверхности к выщипыванию ниже (см. табл. 1, №а). Увеличение концентрации водного раствора крахмала до 1.3% технологически не оправдано (см. табл. 1, №д), так как стойкость поверхности к выщипыванию соответствует концентрации водного раствора крахмала 1.0% (см. табл. 1, п.б).

В табл. 2 представлены среднестатистические значения размера межволоконных пор в зависимости от метра квадратного волокнистого слоя. Средние значения ширины и толщины волокон лиственной целлюлозы составляют 40 мкм и 3 мкм соответственно. Средние значения ширины и толщины волокон хвойной целлюлозы 10 мкм и 5 мкм соответственно.

В табл. 2 приведены рассчитанные размеры межволоконных пор в зависимости от грубости волокон и массы метра квадратного сформованного волокнистого слоя.

Принято, что грубость волокон лиственных пород древесины составляет ≈20 мг/100 м, хвойных пород древесины ≈30 мг/100 м (Дж. Кларк. Технология целлюлозы. Пер. с англ. - М.: Лесная промышленность, 1983. - С. 233-246).

Проскок частиц мела со средним размером 5 мкм сквозь волокнистый слой на формующей сетке отсутствует для образцов из полуфабриката лиственной целлюлозы (табл. 2, строка А) при массе слоя 40 г/м² и выше, для образцов из полуфабриката хвойной целлюлозы (табл. 2 строка Б) - при массе слоя 60 г/м² и выше. При массе волокнистого слоя хвойной целлюлозы 50 г/м² размер межволоконных пор составляет 8 мкм. Частицы мела среднего размера 5 мкм не задерживаются на поверхности волокнистого слоя, а просасываются внутрь сформованного слоя волокон и могут проскакивать через межволоконные поры за счет выноса частиц потоком воздуха, проходящим через полотно бумаги при напылении модифицированного мела в процессе аэродинамического формования. Мелованный слой на поверхности полотна бумаги не образуется, частицы мела проходят сквозь поры и распределяются в объеме волокнистого слоя. При массе волокнистого слоя хвойной целлюлозы 60 г/м² размер межволоконных пор составляет 4,8 мкм, частицы модифицированного мела со средним размером 5 мкм задерживаются на поверхности волокон и покрывают волокнистый слой с образованием мелованного слоя.

Предложенный способ осуществляют следующим образом.

Пример 1. Наполнитель (мел) обрабатывают водным раствором натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы при тщательном перемешивании до образования однородной массы в виде пасты. На 100 мас. ч. мела берут 230 мас. ч. воды и 1.0 мас. ч. NaКMЦ. Модифицированный мел сушат, измельчают и отбирают фракцию с размером частиц 4.5-5.5 мкм. Целлюлозный полуфабрикат равномерно увлажняют водой до влажности 48-50%.

На установке аэродинамического формования бумаги периодического действия полуфабрикат хвойной целлюлозы с грубостью волокон 30 мг/100 м разделяют в диспергаторе на волокна до образования волокнистой аэровзвеси, аэровзвесь волокон формуют на сетке с образованием волокнистого слоя массой 60 г/м². На волокнистый слой напыляют слой модифицированного мела в количестве, обеспечивающем содержание золы в бумаге 10%, при этом масса нанесенного на одну сторону бумаги покрытия из частиц модифицированного мела составляет 10 г/м². Волокнистый слой с поверхностным слоем модифицированного мела увлажняют между двух сукон водным раствором крахмала концентрацией 1.0%, прессуют и сушат. Результаты испытаний приведены в табл. 3, №1.

Пример 2. Способ осуществляют по примеру 1, но масса нанесенного на одну сторону бумаги покрытия из частиц модифицированного мела составляет 25 г/м² при зольности 20% (табл. 3, №2).

Пример 3. Способ осуществляют по примеру 1, но масса нанесенного на одну сторону бумаги покрытия из частиц модифицированного мела составляет 40 г/м² при зольности 30% (табл. 3, №3).

Пример 4. Способ осуществляют по примеру 1, но на сетке формуют аэровзвесь волокон с образованием волокнистого слоя массой 40 г/м² (контрольный опыт), масса нанесенного на одну сторону бумаги покрытия из частиц модифицированного мела составляет 40 г/м² при зольности 30% (табл. 3, №4).

Пример 5. Способ осуществляют по примеру 1, но на сетке формуют аэровзвесь волокон с образованием волокнистого слоя массой 80 г/м² (контрольный опыт), масса нанесенного на одну сторону бумаги покрытия из частиц модифицированного мела составляет 40 г/м² при зольности 30% (табл. 3, №5).

Пример 6. Способ осуществляют по примеру 3, но волокнистый слой с поверхностным слоем модифицированного мела увлажняют между двух сукон водным раствором крахмала концентрацией 0.9% (табл. 3, №6).

Пример 7. Способ осуществляют по примеру 3, но волокнистый слой с поверхностным слоем модифицированного мела увлажняют между двух сукон водным раствором крахмала концентрацией 1.1% (табл. 3, №7).

Пример 8. Способ осуществляют по примеру 1, но в качестве целлюлозного полуфабриката используют целлюлозу лиственных пород древесины и на сетке формуют аэровзвесь волокон с образованием волокнистого слоя массой 40 г/м² (табл. 3, №8).

Пример 9. Способ осуществляют по примеру 2, но в качестве целлюлозного полуфабриката используют целлюлозу лиственных пород древесины и на сетке формуют аэровзвесь волокон с образованием волокнистого слоя массой 40 г/м² (табл. 3, №9).

Пример 10. Способ осуществляют по примеру 3, но в качестве целлюлозного полуфабриката используют целлюлозу лиственных пород древесины и на сетке формуют аэровзвесь волокон с образованием волокнистого слоя массой 40 г/м² (табл. 3, №10).

Пример 11. Способ осуществляют по примеру 3, но в качестве целлюлозного полуфабриката используют целлюлозу лиственных пород древесины (табл. 3, №11 - контрольный опыт).

Пример 12-14. Бумагу изготавливают по способу-прототипу.

Испытания образцов бумаги, полученных по предлагаемому способу и способу-прототипу , приведены в табл. 3.

Из данных табл. 3 видно, что белизна бумаги из полуфабриката хвойной целлюлозы (табл. 3, №1/1-5/1) для равных содержаний золы в бумаге значительно выше, чем белизна бумаги, полученной по способу-прототипа (табл. 3, №12-14). Удержание наполнителя при одностороннем нанесении модифицированного мела составило 100%, что выше показаний способа-прототипа для образцов бумаги из полуфабриката хвойной целлюлозы. Поверхностное мелование снижает воздухопроницаемость образцов бумаги из полуфабрикатов лиственной (табл. 3, №8-11) и хвойной целлюлоз (табл. 3, №1/1-3/1) по сравнению (для хвойной целлюлозы) с введением наполнителя в объем листа (табл. 3, №12-14) при равных значениях зольности. По мере увеличения зольности и массы метра квадратного бумаги значение воздухопроницаемости бумаги снижается (табл. 3, №1/1-5/1; №8-11).

Показатель стойкости поверхности к выщипыванию является определяющим в оценке пригодности мелованной бумаги для печати. Прочность к выщипыванию поверхности бумаги определяли по ГОСТ 24356-80. При внесении модифицированного мела по предлагаемому способу и увлажнении волокнистого слоя водным раствором крахмала концентрацией 1% стойкость поверхности к выщипыванию очень высокая: волокон, оторвавшихся от поверхности мелованного слоя, не зафиксировано.

Таким образом, предлагаемый способ введения наполнителя при аэродинамическом формовании бумаги напылением частиц модифицированного мела на сформованный волокнистый слой позволяет получать покрытие с высокими показателями по белизне, непрозрачности, стойкости к выщипыванию и с высокой степенью удержания наполнителя. Воздухопроницаемость и шероховатость бумаги, характеризующая ее гладкость, с поверхностным мелованным слоем значительно ниже по сравнению с введением наполнителя в объем бумаги.

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности и предназначено для нанесения наполнителя в качестве покрытия на одну сторону полотна бумаги при производстве бумаги аэродинамическим способом формования с целью повышения оптических свойств бумаги (белизны и непрозрачности) и печатных свойств бумаги (стойкости к выщипыванию и гладкости). Бумага с односторонним мелованным слоем используется при изготовлении, например, афиш и этикеток. В способе мелования бумаги аэродинамического формования, включающем увлажнение целлюлозного полуфабриката водой до влажности 48-50%, разволокнение полуфабриката до образования аэровзвеси волокон с последующим получением волокнистого слоя, который увлажняют между двух сукон водным раствором крахмала с последующим прессованием и сушкой полотна бумаги, причем продукт взаимодействия мела с размером частиц 4.5-5.5 мкм с водным раствором натрий карбоксиметилцеллюлозы напыляют на одну из поверхностей сформованного волокнистого слоя из расчета 10-40 г мела/м² перед увлажнением, которое осуществляют водным раствором крахмала концентрацией 0.9-1.1%. Одностороннее напыление продукта взаимодействия мела с водным раствором натрий карбоксиметилцеллюлозы на поверхность волокнистого слоя возможно в технологии аэродинамического формования бумаги. В зависимости от массы волокнистого слоя и грубости волокон сквозные межволоконные поры формуемого волокнистого слоя имеют линейный размер меньше диаметра частиц обработанного водным раствором натрий карбоксиметилцеллюлозы мела, что позволяет удерживать частицы мела на поверхности волокнистого слоя. Напыление продукта взаимодействия мела с водным раствором натрий карбоксиметилцеллюлозы на поверхность осуществляют для лиственного полуфабриката при массе волокнистого слоя не менее 40 г/м², для хвойного полуфабриката при массе волокнистого слоя не менее 60 г/м². 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 14 пр.

1. Способ введения наполнителя при аэродинамическом формовании бумаги, включающий обработку продуктом взаимодействия мела с водным раствором натрий карбоксиметилцеллюлозы, увлажнение целлюлозного полуфабриката водой до влажности 48-50%, разволокнение полученного полуфабриката до образования влагонасыщенной аэровзвеси волокон с последующим формованием волокнистого слоя, который увлажняют между двух сукон водным раствором крахмала с последующим прессованием и сушкой полотна бумаги, отличающийся тем, что обработку продуктом взаимодействия мела размером частиц 4.5-5.5 мкм с водным раствором натрий карбоксиметилцеллюлозы осуществляют напылением из расчета 10-40 г/м² на одну из поверхностей сформованного волокнистого слоя перед стадией увлажнения, которую осуществляют водным раствором крахмала концентрацией 0.9-1.1%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что напыление продуктом взаимодействия мела с водным раствором натрий карбоксиметилцеллюлозы на поверхность осуществляют для полуфабриката лиственной целлюлозы при массе волокнистого слоя не менее 40 г/м², для полуфабриката хвойной целлюлозы при массе волокнистого слоя не менее 60 г/м².