Высокопористая синтетическая бумага Советский патент 1993 года по МПК D21H13/26 

Изобретение относится к производству синтетических бумаг, в частности к усовершенствованию арамидной бумаги.

Изобретение обеспечивает получение араиидной бумаги улучшенного качества, обладающей хорошей впитывающей способ юстыо и гладкой прочностью при сохранен 1И прочности при разрушении.

Изобретение обеспечивает нужный уро- вен|, пористости за счет изменения композиции и позволяет получить бумагу с гла/ кой поверхностью, пригодную для автоматической обработки, где избыточная неровность поверхности недопустима. Изо эретение относится также к способу из- готс вления бумаги повышенного качества с вые )кой пористостью.

Сущность изобретения заключается в том что бумага, включающая фибриды и хлопья из поли(метафениленизофталамида), доп мнительно содержит массу из размолотой бумаги из поли(метафениленизофтала- ми/а) при следующем соотношении

компонентов, мас.%: фибриды 10-40, хлопья 5-30 и масса из размолотой бумаги 30-85.

Бумага содержит массу из размолотой бумаги из поли (метафенилениэофталамида), состоящую из 50-60 мас.% предварительно высушенных фибрид и 40-50 мас.% предварительно высушенных хлопьев. Массовое отношение всех фибридов и хлопьев в полученной бумаге составляет 1,4-1,8.

В соответствии в данным изобретением бумага, получаемая с использованием арамидной бумажной массы из поли(метафени- ленизофталамида), обладает пористостью более высокой по сравнению с бумагой, изготовленной из ароматических полиамидов по одинаковой методике и в одинаковых условиях и с тем же самым соотношением количества фибрид и хлопьев, но без арамидной массы. Пористость определяли по тестам, в которых измеряется время, требуемое для проникновения через бумагу потока воздуха, и каландированная бумага, изготовленная согласно данному изобрете

.

Ё

00 СлЭ 00

о

N) О

СО

нию, поданной методике отличается пористостью ниже 200 с при толщине примерно 50 мкм.

На фиг.1 представлено графическое сравнение значений пределов прочности при разрушении бумаги поданному изобретению и бумаг, в состав которых входят только свежие волокна и хлопья, в зависимости от отношения общих количеств фиб- рид и хлопьев; на фиг,2 представлена графически пористость бумаги как функцию соотношения фибриды/хлопья; на фиг.З графически представлено предпочтительное содержание фибрид и хлопьев при практической реализации данного изобретения..

Под арамидной бумажной массой понимается масса, приготовленная из высу-. шенной бумаги, в состав которой входят хлопья и фибриды и которая изготовлена с помощью бумагоделательной машины. Как правило, такую бумагу измельчают до такой степени, чтобы она проходила через разделяющие сита с размером отверстий 6,4-12,7 мм(1 /4-1 /2J, предпочтительно около 7,8 мм (5/16v); затем при необходимости намельченную бумагу далее размалывают или дополнительно измельчают для уменьшения размера частиц массы.

Даже после измельчения и размалывания хлопья в арамидной массе связываются до некоторой степени фибридами. В высушенном состоянии фибриды соединяются друг с другом или сворачиваются и поэтому полезны в качестве связующего материала, чем свежие, не подвергавшиеся сушке, фибриды; однако благодаря случайной, жесткой, неправильной форме они способствуют увеличению пористости получаемой в результате структуры бумаги. В контексте данного изобретения фибриды и хлопьевидные компоненты, извлеченные из высушенных арамидных бумаг, могут быть названы предварительно высушенными фибридами и предварительно высушенными хлопьями.

Высушенные листы арамидной бумаги также могут быть пропущены через высокоскоростную размалывающую машину, как, например, воздушная турбулентная истирающая мельница, известная как Turbomil или Ultra- Rotor а затем подвергнуты очистке во влажном состоянии. Для измельчения арамидных бумаг, обработанных на календаре, предпочтительно использовать турбулентные истирающие мельницы, однако истирающие мельницы дают волокна несколько меньшей длины. Бумага согласно данному изобретению, изготовленная с использованием арамидной бумажной массы, состоящей из волокон меньшей длины, отличается несколько пониженной прочностью во влажном состоянии и склонна ухудшатьнепрерывность работы бумагоделательной машины.

Массу измельченной арамидной бумаги можно рафинировать при консистенции 0,4-1,2 %, например, в дисковом рафинере Sprouf-Bauer 36-2 до получения требуемого размера частиц. Обнаружено, что удовлет0 верительным является значение Schopper- Rlegler Freeness в интервале 600-800 мм. Свободное стекание (садкость) по Schopper- Rlegler является мерой степени отстаивания и определяется в соответствии с междуна5 родным стандартом (International standard) ISO 5267/1-1979/Е) Pulp-Determination of dralnablltty. Предпочтительной консистенцией для рафинирования является 0,8-1,0 %. Типичная классификация частиц пульпы

0 по размерам - по длине и значению свобод-- ного стекания приводятся в табл.1.

После очистки арамидная бумажная масса мож ет быть в случае необходимости или х елания пропущена через сито, после

5 чего ее смешивают со свежими фибридами и свежими хлопьями.и подают затем в массе распределитель бумагоделательной машины.

Можно также соединить измельченную

0 арамидную бумажную массу со свежими фибридами и рафинировать смесь. Подобное соединение ингредиентов до рафинирования обладает преимуществом в том отношении, что тем самым можно исклю5 чить параллельную подачу потока третьего компонента. Эту смесь затем соединяют со свежими хлопьями, в результате чего пол- . учают композицию бумаги.

Листы по данному изобретению похожи

0 на бумагу, и их изготавливают с помощью известных способов изготовления бумаги и на традиционном оборудовании. Таким образом, волокнистые материалы, а именно - фибриды, хлопья и массу арамидной бумаги

5 можно смешать в единую суспензию, в результате чего получается композиция, которую можно превратить в бумагу с помощью, например, бумагоделательной машины Fourdlnier.

0 . Конечно, изготовление бумаги согласно данному изобретению не ограничивается только машиной Fourdrinler. Бумаги по данному изобретению можно изготовить на бумагоделательных машинах с наклонной

5 сеткой или цилиндровых либо другим способом изготовления бумаги, например, с помощью отливок листов в пресс-форму с формующей сеткой. Машины типа Foutdrinler необходимы для изготовления бумаги из композиций, отличающихся низкой 1ли медленной способностью к стволу водь , и. следовательно, оказались необходим 1ми для изготовления контрольных об- разиов для сравнения с описанным выше образцами. Композиции, отличающиеся низким или медленным обезвоживанием, трудно поддаются обработке на машинах с накл онной сеткой или цилиндром. Композиция ю данному изобретению, в состав которой ш)дит масса арамидной бумаги, очень свободно обезвоживается и позволяет провод -™ формование на бумагоделательной маш не с высокой скоростью при заданной мас( е бумаги.

Три определении количеств свежих фиб )ид и свежих хлопьев, необходимых для изготовления бумаги согласно данному изобретению, следует оценивать общее содержание фибрид и хлопьев во всех комг онентах композиции, т.е. следуетопре- лет ть содержание фибрид и хлопьев в массе арамидной бумаги, а затем прибавить КОЛУ чество фибрид и хлопьев, содержащихся в массе арамидной бумаги, к количеству свей их фибрид и свежих хлопьев, что дает общ;е содержание фибрид и хлопьев в высоко пористой бумаге. В контексте данного изо ретения масса арамидной бумаги упоминается для обозначения предварительно высушенных фибрид и предвари- телыо высушенных хлопьев, добавляемых в ар мидную бумагу согласно данному изо- брет ению из источника высушенной бумаги. Это компонента - источник фибрид и хлог ьев - предварительно подвергается суш) е и, как здесь упоминалось, эти предва- рительно высушенные фибриды и предварительно высушенные хлопья ведут себя не совсем так же, как свежие фибриды и хлогья.

1а фиг.1 графически представлена за- висс мость относительного суммарного предел i прочности при разрушении от величины соотношения общих весовых количеств фибрид и хлопьев в случае а рам ид- ных бумаг. Относительный суммарный пре/ел прочности при разрушении представ 1яет собой отношение предела прочности при разрушении арамидной бумаги согл юно данному изобретению к аналогич- ном; параметру арамидной бумаги, изго- тов/енный тем же способом, но соде ржащий только свежие фибриды и хлог ья. Предел прочности арамидных бумаг рассматривается далее в методах испыта- ний. Следует также отметить, что величины относительного суммарного предела прочности при разрушении нормализованы и за 1,00 принято значение пика, возникающего

при величине соотношения общих количеств фибрид и хлопьев около 1,5.

Отношение фибриды/хлопья представляет собой общий вес фибрид, поделенный на общий вес хлопьев в составе рассматриваемой арамидной бумаги. Высушенная арамидная бумага, входящая в состав бумаг, на основайии испытаний которых построенная на фиг.1, на 55 мас.% состояла из предварительно высушенных фибрид, и для бумаги, использованной для потребления кривой по данному изобретению, она составляла 55-80 % всего материала. Может видеть, что при величине соотношения фиб- риды/хлопья в интервале примерно от 1,4 до 1,8 относительный суммарный предел прочности при разрушении для предлагаемой бумаги составил по крайней мере 0,97 по сравнению с арамидной бумагой, при изготовлении которой использовались только свежие фибриды и хлопья. Предполагается, что снижение предела прочности при разрушении при более низком содержании фибрид по мере снижения содержания фибрид объясняется тем, что предел прочности при разрушении бумаги падает при уменьшении содержания в ней связующего. С другой стороны, предел прочности падает при снижении уровня содержания хлопьев, так как предел прочности бумаги при разрушении зависит от концентрации хлопьев. В интервале оптимальных значений соотношения существует равновесие между прочностью волокон, т.е. вкладом хлопьев, и прочностью связующего, что приносится фибридами. Хотя для сеежих хлопьев средняя длина их в массе арамидной бумаги составляет примерно половину от 6,4 мм, в случае данного изобретения подобное снижение .длины хлопьев мало сказывается на сопротивлении бумаги растяжению.

Известно, что бумагу с высокой пористостью можно изготовить при введении высокого уровня содержания хлопьев, а не фибрид. В листах такой бумаги повышается пористость, но снижается прочность по сравнению с бумагой, изготовленной в соответствии с предлагаемым изобретением. На поверхности листов бумаги с повышенным содержанием хлопьев имеются слабо связанные волокна, которые легко истираются и создают трудности при обращении с материалом.

При повышении уровня содержания фибрид в арамидной бумаге проявляется тенденция к тому, что структура листа спаивается фибридами. На фиг.1 показано Соотношение между величиной отношения фибриды/хлопья и пористостью и видно,

что увеличение содержания фибрид в листе бумаги, предлагаемой в данном изобретении, вызывает незначительное снижение его пористости. Можно отметить, что пористость контрольного листа, изготовленного только из свежих фибрид и хлопьев, при низком значении соотношения количеств фибриды/хлопья всего 1,5 - намного ниже по сравнению с пористостью листов, изготавливаемых согласно данному изобрете- нию, получаемой при значении соотношения фибриды (хлопья 2,2 - испытания проводились при таком высоком значении. Представленные на фиг,2 результаты измерений выполнены на формованной бу- маге, поскольку каландрированная или прессованная стандартная бумага обладает слишком низкой пористостью, что не позволяет провести измерения по выбранной методике. Заметим, что обозначения точек на графике фиг.З соответствуют номерам опытов (пример 3), откуда и взяты результаты.

Оказалось желательным ограничить количество вводимой арамидной массы предельным значением 85 %., а предпочтительно 70 %, от общего содержания фибрид и хлопьев в бумаге. В случае, когда количество пульпы превышает величину примерно 85 % от общего содержания твердых в композиции, непрерывность работы бумагоделательной машины ухудшается.

На фиг.З показана область значений., которые принимает соотношение содержаний фибриды/хлопья в зависимости от процентного содержания арамидной бумажной массы. На поле нанесены кривые содержания свежих фибрид и свежих хлопьев и очер- чена область предпочтительных для реализации данного изобретения значений отношений фибриды/хлопья. Для данного изобретения предпочтительный уровень содержания арамидной массы составляет 55 70 %. что объясняется тем, что при введении менее 55 % бумажной массы пористость снижается, а в случае, когда содержание бумажной массы превышает 70 %, обработка нисходящим потоком затруднена. Предпочтительное значение соотношений общих количеств фибрид и хлопьев составляет 1,4- 1,8, так как по обе стороны этого интервала значений снижается прочность бумаги при разрушении. Предел прочности при разрушении бумаги, при изготовлений которой использованы соотношения вне указанных пределов, ниже желательной величины. Методика испытаний. Пористость. Пористость бумаг определяли по методике испытаний ТАРР Т 460 от-88 Сопротивление бумаг потоку воздуха. Результаты испытаний выдаются в секундах, что соответствует числу секунд, не- бходимых для того, чтобы с помощью груза массой 567 г пропустить 100 мл воздуха через образец исследуемой бумаги площадью 6,4 кг сантиметров (1 кв. дюйм.). Чем выше получается результат испытаний в секундах, тем ниже пористость бумаги.

Коэффициент статического трения. Коэффициент статического трения определяли на основании метода TAPPI Т.815от-85для измерения Коэффициента статического трения рифленого и твердого картона (метода наклонной плоскости) Поднимают наклонную плоскость до тех пор, пока не начнется скольжение испытательных салазок. Коэффициент рения равняется тангенсу угла наклона, при котором начинается скольжение. Размер салазок 50,8 х 101.6 мм (2 х 4) при весе 752,2 г. Лист материала размером 203.2 х 76,2 мм (8 х 3) прикрепляют к наклонной плоскости в направлении MD или СО (т.е. параллельно машине или в поперечном направлении) и в том же направлении) и в том же направлении закрепляют лист материала на салазках. Затем наклонную плоскость поднимают со скоростью 1-2 град в секунду до момента начала движения салазок. Величина этого угла регистрируется и затем вычисляется тангенс его. Коэффициент статического трения вычисляется как среднее значение тангенса от 10 испытаний.

Суммарный предел прочности при разрушении. Предел прочности бумаги на разрыв определяется на основании метода ASTMспособомD828-87: Стандартныйме- тод испытаний на прочность при разрыве бумаги и картона. Испытаниям подвергались образцы шириной 2,54 см и длиной 20,3 см; зажим ы установки для испытаний на разрыв были первоначально разведены на 12,7 см. Десять образцов бумаги испытывались в направлении, параллельном машине (MD), и десять - в поперечном (CD) направлении и для каждого направления полученные значения усреднялись. Сумма пределов прочности в направлениях MD и CD делилась на плотность бумаги и ее базисный вес, в результате чего получали суммарный предел прочности на разрыв.

Толщина. Толщину бумаги определяли с помощью кронциркуля в соответствии с .ASTMD 374-79 (1986).

Плотность. Плотность бумаги определяли как массу единичной площади (масса бумаги) согласно AS TMD 646-86, деленную на толщину бумаги.

П р и м е р 1. Данный пример иллюстрирует изготовление бумаги в соответствии с данным изобретением по сравнению с бумагами, в состав которых не входит арамид- иая бумажная масса.

Готовят фибриды поли(метафенилени офталамида) в. соответствии с описанием римера 1 (патент США 3 756 908).

Готовят хлопья поли(метафениленизоф- аламида) вязкостью около 1,5 путем сухого ытягивания нитей из раствора, содержа- цего 67 % D мае.. 9 % хлорида и 4 % воды. вытянутые .нити насыщены водосодержа- цей жидкостью и содержат около 100 % )МАс, 45 % хлорида кальция и 30-100 % оды (в расчете на сухой полимер). Волокна ромывают и вытягивают в 5 раз по методу звлечения-вытягивания, в результате чего одержание хлорида и D МАс снизилось, оответственно, примерно до 0,10 и 0,5 %. ипичные свойства нитей: удлинение при азрыве 34 %, предел прочности на разрыв ,3 г/денье. Затем нити разрезают на лопья длиной 0,27 дюйма (0,68 см) и из них отовят суспензию в воде концентрацией римерно 0,35 %. Линейная плотность ни- ей равнялась 2 денье.

Из листов арамидной бумаги, содержа- ней около 55 % фибрид поли(метафениле- изофталамида) и 45 % хлопьев i оли(метаизофталамида) готовят арамид- пую бумажную массу. Листы измельчают в tрануляторе с ситом 5/16 , открытым на i ыход. Из гранулированного листового материала готовят водную суспензию консистенцией 6 %, затем подвергают очистке в рафинере Sprout- Bauer 36-2 при консистенции 0,8-1,0 % по величине свободного сте- (ания по Schopper - Rlehler 300 - 400 мл. Полученную суспензию пропускают через сито (сита) с отверстиями 1,40-1,57 мм и соединяют до поступления в пульпораспре- лелитель со свежими фибридами и свежими лопьями в соотношении (в расчете на твердые продукты) 55 : 30 : 15 и 70 : 15 : 15, как указано в таблице 2.

Смесь ингредиентов разбавляют до i онсистенции примерно 0,35, после чего ( на поступает в массораспределитель бумагоделательной машины типа Fourdribler и ;атем на формующую сетку, в результате iero получают влажные листы. Влажный ли- с товой материал снимают с сетки и удаляют избыточную воду прессованием, а также с г омощью нагреваемых паром сушильных i илиндров. Высушенную бумагу обрабаты- ЕЭЮТ на каландре при температуре 3270С, 5,15 мм/мин (30 фут/мин) и прижимающем авлении 144,5 кН/м (825 Р L I). Контроль- h ые бумаги изготавливают точно таким же способом, за исключением того, что в ком- г озицию не вводят арамидную бумажную массу. В табл. приводятся наиболее важные

характеристики бумаги для бумаг согласно данному изобретению и для контрольных. Бумаги, изготовленные в соответствии с предлагаемым изобретением, отличаются 5 по сравнению с контрольными сильным возрастанием пористости, а также прочности на разрыв. При эквивалентных значениях пористости прочность намного выше для бумаги по данному изобретению, чем для кон0 трольных бумаг.

Пример 2. В данном примере представлено сравнение характеристик поверхности бумаги известного уровня техники и бумаги поданному изобретению. Каландри5 рованные. листы, предлагаемые данным изобретением, отличаются при аналогичной пористости намного более высокой целостности поверхности по сравнению с листами бумаги известного уровня техники.

0 Образцы каландрированной бумаги, изготовленной в предыдущем примере, испытывают на коэффициент трения, а затем после проведения в соответствии со стандартном процедуры истирания определяют

5 степень неровности поверхности (см. табл.4).

Для образцов, изготовленных не в соответствии с данным изобретением и обладающих высокой пористостью, типичным

0 является высокий коэффициент трения. Отметим, что образец CI-6, изготовленный, как описано в примере 1, обладает пористостью всего 25 с.

В целях дальнейшего изучения харак5 терстик истирания рассматриваемых бумаг образцы после определения величины коэф- . фициента трения перегибают вдоль направления движения салазок и исследуют кромку сгиба на темном фоне. Число воло0 кон, выступающих над плотной поверхностью бумаги более чем примерно на 0,5 мм, принимается на число стертых волокон (на сантиметр листа бумаги); это число показывает степень неровности поверхности об5 разца (см. табл.5).

Более высокое число волокон, выступа- ющих над поверхностью каландрированной бумаги, также хорошо коррелирует с данными по.величине коэффициента трения.

0 Согласно данному изобретению листы нормально обрабатывают на каландре или подвергают воздействию высоких температур и давлений, что улучшает их физические характеристики вследствие повышения

5 прочности связывания в результате компак- тирования. Эффективный процесс каланд- рирования описан в патенте США 4481060. П р и м е р 3. Данный пример иллюстрирует изготовление бумаг согласно данному изобретению по сравнению в получением

бумаг, в состав которых не входит масса арамидной бумаги. В данном примере бумаги отличаются более высоким базисным весом, чем бумаги в примере 1.

Фибриды и хлопья, использованные в Данном примере, представляют собой тот же самый материал, который был описан в примере 1. Арамидная бумажная масса представляет собой тот же материал, что был использован и описан в примере 1,

Суспензию арамидной бумажной массы пропускают во влажном состоянии через сито с отверстиями 1,14-1,57 мм и соединяют до подачи в пульпораспределитель с фибри- дами и хлопьями при соотношении в расчете на твердые продукты 55: 30 : .15 и 70 : 15 : 15, как и указывается в табл.6.

Смесь ингредиентов разбавляют до консистенции около 0,35 %, после чего подают в массораспределитель бумагоделательной машины типа Fourdrinler, откуда она поступает на формующую сетку для изготовления влажных листов. Влажный листовой материал снимают с сетки и удаляют избыточную воду прессованием, а также с помощью нагреваемых паром осушителей. Высушенную бумагу обрабатывают на каландре при 327°С, скорости 9.15 м/мин (30 фут/мин) и при прижимающем давлении 144,5 к Н/м (825 Р L I). Контрольные бумаги

изготавливают таким же способом, за исключением отсутствия арамидной бумажной массы в композиции бумаги. Наиболее важные характеристики бумаг, изготовленных

согласно данному изобретению, и контрольных бумаг приводятся в табл.у. Изготовление согласно данному изобретению бумаги отличаются по сравнению с контрольными бумагами большим увеличением пористости.

Формула изобретения

1. Высокопристая синтетическая бумага, включающая фибриды и хлопья из по- ли(метафениленизофталамида), отличающаяся тем, что она дополнительно содер-. жит массу из размолотой бумаги из пояи(ме- тафениленизофталамида) при следующем соотношении компонентов, мае. %:

Фибриды10-40 Хлопья 5-30 Масса из размолотой бумаги 30-85

2. Бумага по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что она содержит массу из размолотой бумаги из поли(метафениленизофталами- да), состоящую из 50-60 мае.% предвари- тельно высушенных фибрид и 40-50 мас.% предварительно высушенных хлопьев.

3. Бумага по п.1, отличаю щ а я с я тем, что массовое отношение всех фибрид к хлопьям в ней составляет 1,4-1,8.

Т а б л и ц а 1

Сущность изобретения: бумага, включающая фибриды и хлопья из поли(метафени- ленизофтал амида), дополнительно содержит массу из размолотой бумаги из поли(метафенилензофталамида) при следующем соотношении компонентов, мас.%: фибриды 10- 40, хлопья 5-30 и масса из размолотой бумаги 30-85. Масса из размолотой бумаги содержит 50-60 мае. % предварительно высушенных фибрид и 40-50 мас.% предварительно высушенных хлопьев. Отношение всех фибрид и хлопьев в бумаге составляет 1,4-1,8. 2 з.п. ф-лы, 7 табл., 3 ил.

Среднее арифметическое по Kajaanl, мм - 0,35 Величина свободного стенания по Schopper Rlegler, Мл-591.

Определяется с помощью тестера распределения частиц по размерам, а именно. Kajaanl Model- FS - 200, продается фирмой Ualmet Automation Company, Finland.

X для этого опыта арамвдную бумажную масоу до очистки пропускают через ,q - ftcfari. .

Т а б л и ц а 4

..,. -. -.-.... ... . ,-,.-, ..,..:. ..ч/ - -.

Бумага по данному изобретению

В этих опытах арамиднуо бумагу до очистки пропускают через #ЈЈг$ .

Таблица 5

/Долвцэ 6

Бумаги по данному изобретению

ГАраЬшдная бумаяная йаоса, использованная в данных опытах, до очистки подвергалась - обработке в Ш - fco-jzrj.

|

Отюситель- 0.95 hut суммарный пре,ол рочНОС И При A qf)

рнз ушении

0.85

0.80

,« .в

Отношение «ябрида/хтопья С&г/г. /

Таблица 7

0,158

0,087

0,082

0,066

0,103

6Й9

0,082 .

0,100

0,087

0,101

0,102

0,108

0,136

SrJpODOHb

Ланноо иэобрптенип

160

ПОРИСТОСТЬ 120 /счкушш/

80

40

7

|-« -1.6i;e.

Отношение флбряды/хлспья Фиг.2

м I Ч

Соотиоше- -6

ние фнбрид

и хлопьон 1.4

40 45 SO 55 60 65 ТО 75 80 85 Арамидная оумажная пульпа

Фиг. 3

СЗ-4

Г

Г3-

-СЗ-1

„.3

н 2.2