Способ изготовления бумаги

Способ изготовления бумаги

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ йи4ЙО736-„

Н ПАТЕНТ,Ф

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3315051/29-12 (22) 27.05.81 (31) 8003948-0; 238645 (32) 28.05.80; 26.02.81 (33) SE, US (46) 30.04.86. Бюл. № 16 (71) Ека АБ (SF) (72) Олоф Санден, Пер Гуннар Ботелсон, Ханс Эрик Йоханссон, Ханс Narнус Ларссон и Пер Йохан Свендинг (SE) (53) 676.1.023.7(088.8) (56) Патент США ¹ 3253978, кл. 162-152, 1966. (54)(57) 1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУМАГИ, включающий введение в волокнистую суспензию связующего, содержащего катионный крахмал и коллоидную кремниевую кислоту, отлив бумажного полотна и сумму его, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения прочности бумаги, содержащей в своем составе не менее 507 целлюлозных волокон, в волокнистую супензию вводят связующее при массовом соотношении катионного крахмала к

Si0 1:1 — 25:1, при этом используют катионный крахмал со степенью замещения 0,02-0,05. (51) 4 D 21 Н 3/28 D 21 D 3/00

2, Способ по п.1, о т л и ч аю щ и Й с я тем, что используют коллоидную кремниевую кислоту, содержащую частицы SiO с площадью поверх2 ности 200-900 м /г.

3. Способ по пп ° 1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что связующее . вводят в волокнистую суспензию в количестве 1-15% от массы целлюлозного волокна.

4. Способ по пп. 1-3, о т л и— ч а ю шийся тем, что в волокнистую суспензию вводят минеральный наполнитель.

5. Способ по и. 4, о т л и ч аю шийся тем,что перед введением в волокнистую суспенэию минеральный наполнитель смешивают с коллоидной кремниевой кислотой.

6. Способ по пп. 1-5, о т л ич а ю шийся тем, что в волокнистую суспензию вводят 20-90Х коллоидной кремниевой кислоты, затем катионный крахмал, после чего добавляют оставшуюся часть кремниевой кислоты, Приоритет по пунктам:

28.05.80 по пп. 1-5.

26.02.81 по п. 6.

122Я7)3

Изобретение отн сится к целлюлоэн -бумажной промышленности, в частности к проклейке бумаги.

Цель изобретения - noIIbDIIeIIve прочности бумаги, содержащей в своем сос таве IIe менее 50/ целлюлоэных волокон.

Сущность изобретения заключается н ом, что согласно способу изготовления бумаги, включающему введение в волокнистую суспенэию связующего, 10 содержащего клтионный крахмали коллоидную кремниевую кислоту, отлив бумажного полотна и сушку его, в волокнистую суспензию вводят связующее при массовом соотношении катионногî êðàõ- 15 мала к SiO. 1:1 — 25:1, при этом исL пользуют катионный крахмал со степенью замещения 0,02-0,05, Предлагаемый способ значительно увеличивает прочность и другие харак- 20 теристики 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 беэ ущерба для прочности и иных характеристик бумаги. ЗО

За счет использования принципов изобретения количество минерального на— полнителя может быть увеличено беэ снижения прочности и других характеристик готовой бумаги. Таким образом, эа 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 содержит комбинацию коллоидальной кремниевой кислоты и катионового крахмала.

Кислота может иметь несколько форм, например форму поликремниевой кислоты или коллоидальной кремниевой кислоты в виде золей хотя наилучшие реэультлты получены при использовании золей коллоидной l7RY()KHc и кремния.

Попикремниевая кислота может полу- аться эл счет реакции жидкого стекля с серной кислотой с помощью известных процессов, чтобы обеспечить молекулярный вес (как у Б10„) 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 быпи получены существенные улучшения прочности и удерживания cïîìoùüþ связующего,содер.— жащего поликремниевую кислоту и катионный крахмал, лучшие результаты получены при использовании катионного крахмала коллоидной кремниевой кислоты в форме золя, содержащего 2-60K от веса SiOi, желательно 2-30Х.

Коллоидная кремниевая кислота в виде золя должна иметь удельную поверхность 50- 1000м /r, желательно

200- 1000 ïðè лучших результатах 300700 м"/г. Золь кремниевой кислоты стабилизируется с помощью щелочи,имеющей мольное отношение SiOz и М 0

10.: 1-300: 1, желательно 16: 1-100: 1 (N-ион, зыбранный из группы, содержащей натрий, калий, литий и NH ). Размер частиц коллоидной кремниевой кислоты должен быть до 20 нм, желательно в среднем 10-1 нм (частицы коллоидной кремниевой кислоты имеют удель2 ную 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.

Катионный крахмал, который используется в связующем, может производиться из крахмалов, полученных иэ любых известных крахмалсодержащих веществ, например, кукурузный пшеничный, рисовый и картофельный крахмалы и т.д.

Крахмал становится катионным с помощью замещения аммиачной группы. Наилучшие результаты получены при степени замещения 0,01-0,05, желательно

0„02-0,04, причем самый благоприятный интервал 0,025-0,04. Несмотря на то, что могут быть использованы раз1?28793 нообразные аммиачные соединения,предпочтительно использовать катионизированный крахмал, который готовят путем основного крахмала, либо 3-хлор-2-гидроксипропил-триметиламмониум-хлоридом или 2,3-эпоксипропил-триметиламмониум хлоридом, чтобы получить катионизированный 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 катионный 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

30 оба компонента диспергировали с бумажной массой, взаимодействуя друг с другом, а также компонентами бумажной массы одновременно.

Лучшие результаты получены, если коллоидная кремниевая кислота добав35 ляется в часть массы и равномерно перемешивается с ней, после чего получение массы завершается и катионовый крахмал добавляется и перемешивается с массои до получения бумажной про40 дукции.

Если минеральный наполнитель добавляется в массу, желательно разбавлять его в воде с коллоидной кремниевои кислотои, а если кислота добав45 ляется периодически то первоначальную часть ее. Зятем вводится смесь наполнителя,и кислоты в смеситель, где она перемешивается с массой и

Когда сырье не содержит минеральный наполнитель, уровень связующего может находиться в диапазоне 1-157 от массы целлюлозногс волокна. Если используется минеральный наполнитель 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 составляет 20 †9 от общего количества добавляемого вещества, а посл.. получения первоначального агломерата (до получения листа) добавляется остаток. Желательно, чтобы первоначальная порция содержала 30-807 коллоидной кислоты.

При использовании в бумажном прпизводстве описанного сложного связующего рН массы бумаги не является критическим и может находиться в пределах 4-9. Однако диапазон рН вьш е

9 и ниже 4 нежелателен. Кроме того,можно исйользовать другие химические вещества для производства бумаги, например связующие вещества, квасцы и т.п. но необходимо чтобы уровень таких добавок не превышал допустимого> который влияет на образование агломерата кремниевой кислоты и катионового крахмала, и чтобы уровень агента в рециркулирующей воде не бып выше того, при котором нарушается образование агломерата связующего. Следовательно, обычно необходимо добавлять реагент в систему когда агломерат получен.

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

1,5:1-4,5,"1.

Количество связующего, которое необхсдимо использовать изменгется 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 представлял собой золь, имеющий удельную поверхность 300-700 м /r. При степени Z поглощения катионного крахмала, например, 0,025 по сравнению со степенью поглощения 0,030 чеобходимо большее количество связующего учитывая, что коллоидная кремниевая кислота остается без изменений.

1228793

Продолжение табл. 1

Об- Nacра- са, зец Г

1,69 0,450 388

i,69 0,225 622

1,69 0,150 586

5 2,1 О б 2,1 О

7 2,1 О качества а,блица1 то количество связующего можно рассчитать по массе наполнителя, что составит 0,5-25%, обычно 2,5-15%.

П р е р 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 крах- 0 мала и коллоидной кремниевой кислоты, чтобы получить повышенные свойства конечного продукта. Волластонит используют в форме игольчатых кристаллов диаметром 1-20 нм и длиной поряд- 15 ка 15 диаметров.

Коллоидная кремниевая кислота используемая для опыта, представляет собой эоль, содержащий 15% кислоты с удельной поверхностью приблизитель- 20 но 500 м /r. Золь стабилизируют щеz лочью с молярным отношением SiO

Na О равным 40:i.

Катионг1ый крахмал готовят из картофельного с помощью 3-хлор-2-гидрок- 25 сипропил-триметиламмониум-хлорида, чтобы обеспечить степень замещения в крахмале порядка 0,03. Катионный крахмал добавляют в виде 4% †но водного раствра. Соотношение катионного крахмала к 510 составляет от 1:1 до 4;1.

В процессе опыта эоль коллоидной кремниевой кислоты добавляют в массу до катионного крахмала. В примерах, содержащих волластонит, эоль и катионный крахмал добавляют с минеральной добавкой до образования смеси иэ минерального связующего которую затем добавляют в целлюлозу. Обычное количество воды добавляют с целью получения волокнистой массы требуемой вязкостис содержаниемтвердых частиц порядка 1 %.После отлива листов их прессуют высуп1ивают B обычныхусловиях.

Ь табл. 1 приведены составы для

45 изготовления бумаги и показатели ее

3 2,1 О 1,69 О 313

4 2.,1 0,9 1,69 О 209

8 2,1 0 i,69 0,113 568

9 2,1 0,9 1,69 0,450 266

10 2,1 0,,9 1,69 0,225 291

11 2,1 0,9 1,69 0,150 380

12 2,1 0,9 1,69 0,133 410

Пример 2. На лабораторной установке изготовлена бумага из раз,личного сырья, приготовленного из

0,2 r осветленной мягкой древесной массы 2,0 r 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%-ный раствор катионного крахмала (степень замещения 0,03) добавляют в массу и получают смесь, которую разливают в форму для получения листа. Листы прессуют и высушивают в одинаковых условиях.

15% -ный золь

4%.-ный растВолластоМасса, Об— ракремниевой вор зец катионнонит, г кисло ты, r го

55 крахмала, г

Z-прочность

Дж /м

1 2,1 О 0 О 204

2, 1 0 9 О 0 154

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

Свойства полученной бумаги приведены в табл. 2.

1228793

Тнбпннн

1 7

Обра-(1,57-)удельj ный

ЗОЛЬ, ПО1

Прач27-ный катионH blH крахЗола, 7

Масса

Г/ и

Плот, МольЛИ неНОСТЬ кг/м

Н0С ТЬ ное на

OTHO ние

7 разг верхНОСТЬ

М /Г

S i02 шение, SiO

Naã О рыв нм/г мал, r

1 2,3 900 20

2 3,3 900 40

8,5

153 780 21,5 3,5 37

170 780 19,7 4,0 40

7,5

151 760 22,8 5,0 36

1,7 900

8,7

8,5

2,3 650 40

190 830 17,7 4,5 47

196 810 18,0 5,0 48

176 800 17,4 4,5 45

199 800 16,0 4,5 45

5 3,8 550 20

7,1

6 3,0 550

7,8

7 3,8 500 45

8 3,0 500 45

7,1

7,8

182 790 18 0 5 0 43

9 3,3 350

10 3,3 200.45

7 5

185 840 15,7 6,0 46

100

7,5

170 830 16,5 6,0 33

165 730 16,5 5,5 37

141 700 19,4 6,0 28

11 5,0 200 100

7,5

12 О.

10,0

200 800 5,5

2,5 41 t

SiO

Стабилизирован аммиаком вместо NaOH, мольное отн. Без SiO<, без катионного крахмала, только 2,0 r древесной масссы + 6 г глины.

Из данного примера. видно, что золь кремниевой кислоты и катионный крах-, 15 мал значительно помогают в удержании глины и во многих случаях приводят к почти полному удержанию . Кроме того указанные результаты показывают, что масимальное удержание глины происходит тогда, когда частицы колло50

>;„ной кремниевой кислоты имеют такой размер, что удельная поверхность находится в диапазоне между 300 и

700 м /г.

П р н м е р 3, Бумажные салфетки изготовлены н лабораторной устанонке из сырья, содержащего связующее, кото.= рое вклн чает в качестве коллоидной кремниевой кислоты поликремниевую кислоту. 100 мл жидкого стекла (R

1 агО = 3 3 и Si02 26 5Ж от веса) разбавляют 160 мл воды и медленно добавляют в 130 мл 107-ной серной кислоты при непрерывном помешивании. Когда все жидкое стекла добавлено рН 2,7 и содержание SiO 87 от веса. Такой кислотный золь разбавляют до 2Х 8 0. и добавляют н английскую белую глину С, после чего добанляют 2% катинного крахмала н растворе (степень замещения 0,03). Соотно- . шение катионного крахмала к SiO 1,7:

:1 — 2,5:1. В табл. 3 даны полученные суспензии.

1228793

Таблица! ?7.-ный катионный крах2%-ный золь г

Глина, г

Образец мал, г

9,0

2,0 5,2

7 4

4,4

2,0

7,4

4,4

2,0

2,9

2,0 .

7,1

2,9

2,0

ОбМасса, г

Золь кремниевой кислоты,г

Кати- Отразец

30 он— ный ношеЦеллюлозных волокон

Стекловолокон

Та блица 4 крах- ние мал, г крахма—

Прочность

Удлине- СодержаМассоi06ние, 7 ние золы, 7 рала на вое зец содержаразрыв. (р16:

:76), нм/г

35 золя ние, г/м

1 1,6

40 2 1 6

3 1,6

4 1,6

0,3

28,5 7,5

25,3 6,5

23,6 7,0

22,4 6,5

21,2 7,0

1 139

2 151

3 148

4 157

5 154

0,3 — 1, 12

45

5 1,6

6 1,6

50 7 1,6

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. Сус.пензии 3 и 5хранили 5 ч до смешивания. Сразу после перемешивания вручную готовят бумажные листы, прессуют их и высушивают.

Показатели полученной бумаги даны в табл. 4.

Il0 сравнению с образцами пРимеР 3 несмотря на улучшение прочности на разрыв, удержание минерального наполнителя не выше, чем в этом примере.

Пример 4. В данном примере связующук систему огласно изобретению добавляют к различным исходным материалам для производства бумаги, чтобы показать, что изобретение применимо даже в массах, содержащих 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 вице золя содержит частицы кремния с удельной поверхностью порядка 400 м /r и содержание кислоты г в золе первоначально 15 o o BecB,H<) затем золь разбавляют водой до содержания кислоты порядка 1,57 до использования его в связующей системе. Катионный крахмал имеет степень замешивания 0,02 и используется в виде

2Х-ного раствора.

Получены образцы массы из которых

1-3 — сравнительные (см. табл. 5)

Т а б л и ц а 5

03 О 187 1,12 8

0,3 0,372 1,12 4

0,3 0,496 1,12 3

0,3 0,744 1,12 2

Из семи образцов массы изготовле55 ны листы бумаги в лабораторном оборудовании.

8 табл. 6 1TÿHht показатели полученной бумаги., 1?

1228793

Таблицаб

ПлотМасБумага из обПрочность са, ность, кг/м прочность, иг/м на неДж/м разца разние, z рыв, нм/г

2 91

3 88.

4 90

5 85

6 94

7 93

Таблица 7

Прочность

Удлинение

Плот—

МассоСоотношеСодержание

Крахмал

Лист ние крахмала к

Si0, ность, кг/м вое обавка

СтеМарна разрыв, нм/г соотношезолы, 7 киров- пень г 7. ние г/м замещения ка

7 30

91,6 619

22,0

А1 А

91,6 621

7 32

24,4

А2 А

94,3 624 23,8

7,5 33

АЗ А

А4 А

А5 А

650 55 135 9

530 33 84 11

520 40 120 10

520 44 132 10

520 44 138 11

540 48 152 12

550 47 149 11

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 об0,020 49,0 3,6 2,4

0,020 57,1 4,2 2,8

0,020 65,3 4,8 3,2

0,033 40,8 3,0 2,0

0033 490 36 24 разца 1 не соде!.ьащего стекловопокна.

П р и M е р 5. Чтобы дополнительно продемонстрировать изобретение и влияние различных замещений катионного крахмала провели две серии изготовления бумаги в лабораторной установке используя массу которая содержала одинаковые количества коллгидной кремниевой кислоты в виде золя, но которая содержала катионный крахмал различньгх степеней, замещения.

Катионный крахмал используемый в данном примере, готовят из двух различных основньгх 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 r золя коллоидной кремниевой кислоты (1,5Х твердьгх частиц и удельная поверхность 530 м /г) и добавления этой пульпы в лабораторный дезинтегратор, содержащий 1,63 г полностью осветленной сульфатной мягкой древесиной массы в 500 мл воды, После смешивания 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

35 табл. 7.

78,9 556 25,0 8,5 24

80,7 564 25,4 8 27

122879"

Продолжение табл.7

СоотношеПрочность

МассоПлотУдлинение

Х.

Содержание

Крахмал ние крахмала к

0 2 вое ность кг/м те- Добавка

Маркировisa соотношена разрыв, нм/r золы, 7. ень

r Х ние г/м амеения

8 27

1 евой кислоты (площадь поверхности около 500 м /г) и катионный крахмал со степенью замещения О,Q45 в кбличествах, указанных в табл.

Пример 6. Для изготовления бумаги используют 1,75 г отбеленной сульфатной двойной целлюлозы, 0,75 r мела и 500 мл воды. К полученной массе добавляют золь коллоидной кремниТ а б л и ц а 8

Катионный крахСоот,Обрамал ношение катионного

Сухой вес, г

Количество 57.-ного зец

Количество 57Сухой вес, г золя мл ного раствора, мл крахмала к

Si0

2,5

0 5

6,0

1,2

10,0

2,0

12,5

2,5

0,5

0,1

12,5

2,5 25:1

3,5

0,5

12,5

2,5 5:1

Аб А

А7 А

В1 В

В2 В

ВЗ В

В4 В

В5 В

Вб В

0,033 57, 1 4,2 2,8

0,033 65,8 4,8 3,2

0,026 49,0 3,6 2,4

0,026 57,1 4,2 2,8

0,026 65,3 4,8 3,2

0,047 49,0 3,6 2,4

0,047 57,1 4,2 2,8

0,047 65,8 4,8 3,2

Золь кремниевой кислоты

82,8 587 23,7

85.,3 575 21,6

95,9 586 17,7

91,1 562 19 8

87,0 572 20,4

75,4 546 19,5

81,0 542 20,5

76,1 575 18,4

6 34 б 31

6,5 25 б 30

6,5 25

6 ?2

1228793

Цродолжешн табл.8

Катионный крахмал

СоотЗоль кремниевой кислоты разец ношение каСухой вес, r

Количество 5% ного

Количество 5%тионного золя мл ного раствора, мл

8 4,0

2,5 3,1:1

0,8

12,5

9 6,0

2,5 2,1:1

12,5

1,2

2,0

12,5

2,5 1,25:1

10 10,0 вор катионного крахмала и перемешивают 30 с.Листы бумагибыли изготовлены вручную,а затем высушены. Качество изготовленных бумаг приведено в табл.9.

Таблица 9

Z-проч—

Содержание

Масса, г/м

Обность

Дж/м разолы, % зец теля, %

17,3 416

77,6

5,2

426

15,3

4,6

77,3

15,0

430

78,0

435

15,0

78,7

4,5

69,3

20,8

512

21,8

519

72,7

99,9

23,4

78,0

533

84,3

620

87,0

687

107,1 25,5 85,0

689

ВНИИИИ Заказ 355 Подписное (!рои: и.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Добавки к массе осуществляют в лабораторном дезинтеграторе. Вначале добавляют кремниевую кислоту, перемешивают 15 с, а затем добавляют раст94,4

95,2

104,0 25,3

106,1 26,1

Удержа ние на полниСухой вес, r крахмала к

Si0