Способ изготовления бумаги Советский патент 1986 года по МПК D21H3/28 D21D3/00 

Изобретение отнпсится к целлюлозно-бумажной промыш-пенности, в частности к проклейке бумаги.

Цель изобретения - повьшюние прочности бумаги, содержащей в своем соетане не менее 50% целлюлозных волокон.

Сущность изобретения заключается и том, что согласно способу изготовления бумаги, включающему введение в волокнистую суспензию связующего, содержащего катионный крахмал и коллоидную кремниевую кислоту, отлив бумажного полотна и сушку его, в волокнистую суспензию вводят связующее при массовом соотношении катионного крахмала к SiO, 1:1 - 25: 1 , при этом используют катионный крахмал со степенью замещения 0,02-0,05.

Предлагаемый способ значительно увеличивает прочность и другие характеристики бумаги, которые позволяют использовать значительные количества минеральных наполнителей в процессе изготовления бумаги при повышенном удержании наполнителя в целлюлозных волокон в листе. Это дает возможность снизить содержание целлюлозных волокон и/или качество целлюлозных волокон, используемых без ущерба для прочности и иных характеристик бумаги. За счет использования принципов изобретения количество минерального наполнителя может быть увеличено без снижения прочности и других характеристик готовой бумаги. Таким образом, за счет снижения количества используемой пульпы для листа бумаги или замены ее минеральным наполнителем уменьшение содержания волокон позволяет снизить расход энергии, необходимой для ее приготовления, а также снизить расходы энергии на высушивание. Кроме того, удержание минерального наполнителя и мелких частиц находится на достаточно высоком уровне что сводит к минимуму проблемы очистки белой бумаги.

Согласно способу связующее содер- укит комбинац;ию коллоидальнфй кремниевой кислоты и катионового крахмала. Кислота может иметь несколько форм, например форму поликремниевой кислоты шш коллоидальной кремниевой кислоты н виде золей хотя наилучшие результаты получены при использовании золей коллоидной двуокиси кремния.

Поликррмииевая кислота может полу- аться за с.чет реакции жидкого стек

s

0

5

0

ла с серной кислотой с помощью известных процессов, чтобы обеспечить .молекулярный вес (как у SiO,,) до 1000000. Однако полученная поликремниевая кислота нестабильна и ее трудно использовать ввиду чего присутствие сульфата натрия вызывает коррозию. Сульфат натрия может удаляться за счет ионного обмена, но полученная поликремниевая кислота нестабильна и без стабилизации будет разрушаться при хрене- НИИ. Поликремниевая кислота без солей может также получаться с помощью прямого ионного обмена разбавленного жидкого стекла.

Несмотря на то, что были получены существенные улучшения прочности и удерживания с помощью связующего,содержащего поликремниевую кислоту и катионный крахмал, лучшие результаты получены при использовании катионного крахмала коллоидной кремниевой кислоты в форме золя, содержащего 2-60% от веса SiO, желательно 2-30%.

Коллоидная кремниевая кислота в виде золя должна иметь удельную поверхность 50-1000 , желательно ,при лучших результатах 300- 700 . Золь кремниевой кислоты стабилизируется с помощью щелочи,име0

ющей мольное отношение SiO и

10.: 1-300:1, желательно 16:1-100:1 (М-ион, выбранный из группы, содержа- ш,ей натрий, калий, литий и NH,) . Размер частиц коллоидной кремниевой кис5 лоты должен быть до 20 нм, желательно в среднем 10-1 нм (частицы коллоидной кремниевой кислоты имеют удельную поверхность порядка 500 м /г,средней размер 5, 5 нм).

Желательно использовать золь кремниевой кислоты, имеющий частицы коллоидной кремниевой кислоты, которые имеют максимальную активную поверхность и размер в среднем 4-9 нм.

5

Катионный крахмал,который используется в связующем, может производиться из крахмалов, полученных из любых известных крахмалсодержащих веществ,

0 например, кукурузный пшеничный, рисовый и картофельный крахмалы и т.д. Крахмал становится катионным с помощью замещения аммиачной группы. Наилучшие результаты получены при степе5 ни замещения 0,01-0,05, желательно 0,02-0,04, причем самьй благоприятный интервал 0,025-0,04. Несмотря на то, что могут быть использованы разнообразные аммиачные соединения,предпочтительно использовать катионизиро- ванный крахмал, который готовят путем основного крахмала, либо З-хлор-2-гид- роксипропил-триметиламмониум-хлоридом или 2,3-эпоксипропил-триметиламмони- ум хлоридом, чтобы получить катиони- зированный крахмал, имеющий степень замещения 0,02-0,04.

В процессе бумажного производства связующее добавляется в волокнистую массу до того, как на бумагоделательной машине изготавливается бумага.При

первом добавлении два ингредиента - коллоидная кремниевая кислота и ка- тионный крахмал - могут смешиваться вместе, образуя водную смесь, которая затем может добавляться и перемешиваться с массой. Однако такая процедура не обеспечивает максимальных результатов.Желательно,чтобы смесь окиси кремния и катионного крахмала образовывалась по существу в сырьевой массе. Это можно осуществить путем добавления коллоидной кремниевой кислоты в форме водного золя и катионного крахмала в форме водного раствора отдельно в массу в смесителе или в том месте системы, где происходит равномерное перемешивание, чтобы оба компонента диспергировали с бумажной массой, взаимодействуя друг с другом, а также компонентами бумажной массы одновременно.

Лучшие результаты получены, если коллоидная кремниевая кислота добавляется в часть массы и равномерно перемешивается с ней, после чего получение массы завершается и катионовьй крахмал добавляется и перемешивается с массой до получения бумажной продукции.

Если минеральный наполнитель добавляется в массу, желательно разбавлять его в воде с коллоидной кремни10

20

составляет 20-90% от общего количес ва добавляемого вещества, а после п лучения первоначального агломерата (до получения листа) добавляется ос таток. Желательно, чтобы первоначал ная порция содержала 30-80% коллоид ной кислоты.

При использовании в бумажном про изводстве описанного сложного связующего рИ массы бумаги не является критическим и может находиться в пре делах 4-9. Однако диапазон рН 9 и ниже 4 нежелателен.Кроме того,можно использовать другие химические ве 15 щества для производства бумаги, например связующие вещества, квасцы и т.п. но необходимо чтобы уровень таких добавок не превьш ал допустимого, которьй влияет на образование агломе рата кремниевой кислоты и катионовог крахмала, и чтобы уровень агента в рециркулирующей воде не бьш вьше того, при котором нарушается образование агломерата связующего. Следова- 2ц тельно, обычно необходимо добавлять реагент в систему когда агломерат получен.

Согласно изобретению отношение ка тионового крахмала к общему содержанию коллорздной кремниевой кислоты должно быть 1:1-25:1 по весу. Желате но, чтобы это отношение находилось в пределах 1,5: 1-10 И, еще лучше 1,5:1-4,5:1.

Количество связующего,которое необходимо использовать изменяется в зависимости от требуемого эффекта, а также характеристик компонентов, которые выбираются для составления связующего. Например, если связующее включает поликремниевую кислоту в качестве коллоидного компонента необходимо добавить большее количест во связующего, чем в том случае, если бы коллоидный компонент представ30

35

40

„ „4S с

евои кислотой, а если кислота добав- лял собой золь, имеющий удельную поляется периодически то первоначальную часть ее. Затем вводится смесь наполнителя.и кислоты в смеситель, где она перемешивается с массой и катионовым крахмалом.

После периодического введения кремниевой кислоты последняя часть ее перемешивается с массой после того, как получен первоначальный агломерат, и до того, как масса вводится в напорный бак. Первоначальное добавление коллоидной кремниевой кислоты

-

10

20

2287934

составляет 20-90% от общего количества добавляемого вещества, а после получения первоначального агломерата (до получения листа) добавляется остаток. Желательно, чтобы первоначальная порция содержала 30-80% коллоидной кислоты.

При использовании в бумажном производстве описанного сложного связующего рИ массы бумаги не является критическим и может находиться в пределах 4-9. Однако диапазон рН 9 и ниже 4 нежелателен.Кроме того,можно использовать другие химические ве- 15 щества для производства бумаги, например связующие вещества, квасцы и т.п. но необходимо чтобы уровень таких добавок не превьш ал допустимого, которьй влияет на образование агломерата кремниевой кислоты и катионового крахмала, и чтобы уровень агента в рециркулирующей воде не бьш вьше того, при котором нарушается образование агломерата связующего. Следова- 2ц тельно, обычно необходимо добавлять реагент в систему когда агломерат получен.

Согласно изобретению отношение катионового крахмала к общему содержанию коллорздной кремниевой кислоты должно быть 1:1-25:1 по весу. Желательно, чтобы это отношение находилось в пределах 1,5: 1-10 И, еще лучше 1,5:1-4,5:1.

Количество связующего,которое необходимо использовать изменяется в зависимости от требуемого эффекта, а также характеристик компонентов, которые выбираются для составления связующего. Например, если связующее включает поликремниевую кислоту в качестве коллоидного компонента, необходимо добавить большее количество связующего, чем в том случае, если бы коллоидный компонент представ30

35

40

4S с

лял собой золь, имеющий удельную по50

верхность 300-700 м /г. При степени поглощения катионного крахмала, например, 0,025 по сравнению со степенью поглощения 0,030 необходимо большее количество связующего учитывая, что коллоидная кремниевая кислота остается без изменений.

Когда сырье не содержит минераль- 55 ный наполнитель, уровень связующего может находиться в диапазоне 1-15% от массы целлюлозного волокна. Если используется минеральный наполнитель

S

то количество связующего можно рассчитать по массе наполнителя, что составит 0,5-25%, обычно 2,5-15%. Пример 1. На лабораторном устройстве изготовлена бумага из различного сырья, полученного из осветленной мягкой сульфатной древесной массы, с волластонитом в качестве наполнителя и без него. Сырье включает сложный состав катионного крахмала и коллоидной кремниевой кислоты чтобы получить повышенные свойства конечного продукта. Волластонит используют в форме игольчатых кристаллов диаметром 1-20 нм и длиной поряд ка 15 диаметров.

Коллоидная кремниевая кислота используемая для опыта, представляет собой золь, содержащий 15% кислоты с удельной поверхностью приблизитель но 500 . Золь стабилизируют щелочью с молярным отношением SiO : : Na О равным 40:1.

Катионный крахмал готовят из картофельного с помощью З-хлор-2-гидро сипропил-триметиламмониум-хлорида, чтобы обеспечить степень замещения в крахмале порядка 0,03. Катионш 1Й крахмал добавляют в виде 4%-ного воного раствра. Соотношение катионног крахмала к SiO составляет от 1 :1 до 4

В продессё опыта золь коллоидной кремниевой кислоты добавляют в масс до катионного крахмала. Б примерах, содержащих волластонит, золь и кати онный крахмал добавляют с минеральной добавкой до образования смеси и минерального связующего которую затем добавляют в целлюлозу. Обычное количество воды добавляют с целью получения волокнистой массы требуемой вязкости с содержаниемтвердых чатиц порядка 1%.После отлива листов прессуют высушивают в обычных услови

В табл. 1 приведены составы для изготовления бумаги и показатели ее качества

Таблица

Продолжение табл. 1

Пример 2. На лабораторной установке изготовлена бумага из различного сырья, приготовленного из 0,2 г осветленной мягкой древесной массы 2,0 г английской белой глины степени С. Белую глину диспергируют в стабилизированном щелочью золе коллоидной кремниевой кислоты, разбавленном от 15 до 1,5% содержащих твердых частиц, и дисперсию добавляют в массу с 500 мл воды в лабораторном дезинтеграторе. 2%-ньш раствор катионного крахмала (степень замещения 0,03) добавляют в массу и. получают смесь, которую разливают в форму для получения листа. Листы прессуют и высушива- 1ЮТ в одинаковых условиях.

Во время испытаний использовали различные золи кремниевой кислоты, имеющие различную удельную поверхность на единицу веса, и стабилизировали щелочью с различным мольным отношением.

I

Свойства полученной бумаги приведены в табл. 2.

ч

Стабилизирован аммиаком вместо NaOH, мольное отн. „

крахмала,только 2,0 г древесной масссы + 6 г

Без Si02, без катионного глины.

50

Из данного примера видно, что золь кремниевой кислоты и катионный крах-. мал значительно помогают в удержании глины и во многих случаях приводят к почти полному удержанию . Кроме того указанные результаты показьтают, что масимальное удержание глины происходит тогда когда частицы коллоидной кремниевой кислоты имеют такой размер, что удельная поверхность находится в диапазоне между 300 и 700 ,

П р и м е р 3. Бумажные салфетки изготовлены в лабораторной установке из сырья,содержащего связующее, рое включает в качестве коллоцдной

Т ;i блин :i /

кремниевой кислоты поликремниевую кислоту, 100 мл жидкого стекла (R Si02 : 3,3 и SiO 26,5% от веса) разбавляют 160 мл воды и медленно добавляют в 130 мл 10%-ной серной кислоты при непрерьгеном помешивании. Когда все зкидкое стекло добавлено рН 2,7 и содержание от веса. Такой кислотный золь разбавляют до 2% SiOj, и добавляют в английскую белую глину С, после чего добавляют 2% катинного крахмала в растворе (степень замещения 0,03). Соотно- шение катионного крахмала к SiOg 1,7: :1 - 2,5:1. В табл. 3 даны полученные суспензии.

9-12.

Т а б л и ц а 3

Каждую из суспензий 1, 2 и 4 подают в лабораторный дезинтегратор,содержащий 2,0 г осветленной мягкой сульфатной древесной массы в 500 мл воды, и перемешивают. Суспензии 3 и 5 хранили 5 ч до смешивания. Сразу после перемешивания вручную готовят бумажные листы, прессуют их и высушивают .

Показатели полученной бумаги даны в табл. 4.

Т а б л и ц а 4

28793in

нию добавляют к различным исходным материалам для производства бумаги, чтобы показать, что изобретение применимо даже в массах, содержащих

5 значительные количества нецеллюлозных волокон.

В качестве целлюлозных волокон используют полностью осветленные мягкие сульфатные древесины массы, а в

10 качестве нецеллюлозных волокон стекловолокно, имеющее диаметр порядка 5 мм и обработанное фенольной смолой. Коллоидная кремниевая кислота в виде золя содержит частицы крем(5 ния с удельной поверхностью порядка 400 и содержание кислоты в золе первоначально 15% от веса,но затем золь разбавляют водой до содержания кислоты порядка 1,5% до исполь20 зования его. в связующей системе. Ка- тионный крахмал имеет степень замешивания 0,02 и используется в виде 2%-ного раствора.

Получены образцы массы из которых

25 - сравнительные (см. табл. 5)

Таблица5

30

1, несмотря на улучшение прочности на разрыв, удержание минерального наполнителя не ньипе, чем в этом примере .

П р и м е р 4. В данном примере связующую систему гогласно изобретеИз семи образцов массы пзготовле- ны листы бумаги в .пабораторном оборудовании.

В табл. 6 даны показатели полученной бумаги.,

Таблицаб

Как видно из приведенных данных Z-прочность уменьшается, коГда добавляется стекловолокно (образцы 1 и 2), и затем увеличивается до первоначального значения (образцы 1 и 4), когда добавляются золь кремниевой кислоты и катионный крахмал. Листы приготовленные из образцов 5, 6 и 7, имеют более высокие значения Z-прочности чем листы, изготовленные из массы обА1

0,020 49,0 3,6 2,4

А2А0,02057,14,22,8

A3А0,02065,34,83,2

А4А0,03340,83,02,0

А5А0,03349,03,62,4

10

разца 1 не co/re|.,-: ainero стекловолокна .

Приме р 5. Чтобы дополнительно продемонстрировать изобретение и влияние различных замещений катионно- го крахмала провели две серии изготовления бумаги в лабораторной установке используя массу которая содержала одинаковые количества коллоидной кремниевой кислоты в виде золя, но которая содержала катионный крахмал различных степеней .замещения.

Катионный крахмал используемый в данном примере, готовят из двух раз- 15 личных основных материалов (А и В), чтобы получить степени замещения, указанные в табл. 7.

Вся пульпа для приготовления листов была приготовлена путем смешивания 1 ,09 г белой глины (английская белая глина С) с 2,72 г золя коллоидной кремниевой кислоты (1,5% твердых частиц и удельная поверхность 530м /г) и добавления этой пульпы в лабораторный дезинтегратор, содержащий 1,63 г полностью осветленной сульфатной мягкой древесиной массы в 500 мл воды. После смещивания компонентов в дезинтеграторе в течение 30 с добавляют катионный крахмал. Смешивание проводят в течение 15 с и затем пульпу выливают в форму.

Степень замещения различных крахмалов и количества добавок в пульпу, а также свойства листов приведены в табл. 7.

Т а б л и ц а 7

20

25

30

35

91,6 619 22,0

30

П р и м е р 6. Для изготовленияевой кислоты (площадь поверхности бумаги используют 1,75 г отбеленной около 500 м 1г) и катионный крах- сульфатной двойной целлюлозы, 0,75 гмал со степенью замещения 0,Q45 мела и 500 мл воды. К полученной мае-в количествах, указанных в табл. се добавляют золь коллоидной кремни-8.

..Таблица8

Добавки к массе осуществляют в лабораторном дезинтеграторе. Вначале добавляют кремниевую кислоту, перемешивают 15с, а затем добавляют растТТродо.пжеиир табл. 8

вор катионного крахмала и перемешивают 30 с.Листы бумаги были изготовлены вручную,а затем высушены.Качество изготовленных бумаг приведено в табл.9.

г

Таблйца9