Производство бумаги и картона

мировании волокнистого фильтрующего слоя, что особенно важно при отливе на плоской сетке. Быстро оседающие крупные частицы напол­ нителя активно вымываются с сеточной стороны листа.

Лучше удерживаются наполнители с пластинчатой и удлинен­ ной формой частиц (тальк). Наполнители с формой частиц, приближенной к сферической, удерживаются в меньшей степени.

Более высокая плотность (удельная масса) наполнителя отри­ цательно сказывается на степени удержания. Так, диоксид титана, несмотря на очень высокую дисперсность, удерживается хуже большинства наполнителей, так как более тяжелые частицы этого наполнителя требуют более прочных связей с волокном для сохра­ нения необходимой устойчивости микрофлокул.

Растворимость наполнителей в воде значительно снижает удержание. Особое значение эта характеристика имеет для карбо­ ната кальция, растворяющегося в кислой среде. Это свойство карбонта кальция исключает его использование при значении pH 4,0...5,5, характерном для бумажной массы с квасцами или сульфа­ том алюминия.

При прочих равных условиях наполнитель с высоким значени­ ем дзета-потенциала удерживается хуже, поскольку увеличивается его электростатическое отталкивание при контакте с волокном. Однако при использовании современных систем фиксации влияние исходного значения дзета-потенциала частиц наполнителя не явля­ ется существенным.

Влияние наполнителей на ход технологических процессов и свойства бумаги. Влияние наполнителей на ход технологических процессов. Наиболее существенное влияние наполнители оказыва­ ют на процесс проклейки бумаги и картона. Чем выше содержание наполнителей, тем сложнее получить бумагу с высокой степенью проклейки. Это связано с ростом пористости наполненной бумаги. Крупнодисперсные наполнители снижают степень проклейки в большей степени, чем высокодисперсные. Распространенные на­ полнители в порядке увеличения отрицательного влияния на проклейку располагаются в следующий ряд: карбонат кальция, тальк, каолин, двуокись титана.

Вприсутствии наполнителей снижаются смоляные затруднения

впроизводстве бумаги. Частицы вредной смолы и наполнителей взаи­ модействуют между собой, образуя агломераты значительно меньшей

липкости. Благодаря более крупным размерам эти агломераты осаж­ даются на ранних стадиях технологического процесса и не загрязняют одежду машин и готовую продукцию. В этом отношении особенно эффективен тальк, обладающий высокой органофильностъю и пла­ стинчатой формой частиц. В присутствии сравнительно небольших количеств талька (10...40 кг/т) смоляные затруднения значительно уменьшаются.

Присутствие наполнителя изменяет реологические характери­ стики бумажной массы, ее вязкость существенно снижается и соответственно уменьшается расход энергии на перемешивание бумажной массы и ее транспортировку.

Бумажная масса, содержащая наполнитель, быстрее обезвожи­ вается, в результате чего возрастает сухость после сеточной и прессовой частей. Увеличивается также скорость сушки бумаж­ ного полотна вследствие увеличения пористости бумаги.

Присутствие в бумажной массе наполнителей отрицательно сказывается на работе одежды машин, особенно в мокрой части. Они оказывают абразивное действие на формующие сетки и заби­ вают поры прессовых сукон. Применение высокодисперсных наполнителей, а также наполнителей с меньшей абразивностью снижает абразивный износ формующей сетки.

Необходимо стремиться к более высокому однопроходному удержанию наполнителей. При этом меньше наполнителя оказыва­ ется между сеткой и крышками отсасывающих ящиков, а также в отходящей от зоны прессования воде, попадающей в поры прес­ совых сукон.

Влияние наполнителей на свойства бумаги. Присутствие на­ полнителей в бумаге и картоне оказывает как положительное, так и отрицательное влияние на показатели их качества.

Степень влияния наполнителей на вышеперечисленные пока­ затели зависит от вида и количества вводимого наполнителя, а также применяемой системы их фиксации в бумажной массе и со­ вокупности присутствующих в ней химических реагентов.

При увеличении содержания наполнителя в бумаге уменьша­ ется ее толщина при постоянной массе 1 м2. Установлено, что чем выше степень дисперсности наполнителя, тем в большей степени снижается толщина бумаги и, соответственно, увеличивается ее плотность.

Воздухопроницаемость бумаги увеличивается при повышении содержания в ней наполнителя. Это явление напрямую связано сростом пористости бумаги, которая значительно увеличивается при использовании крупнодисперсных наполнителей.

С увеличением содержания наполнителя возрастает непро­ зрачность бумаги, особенно при использовании высокодисперсных наполнителей и наполнителей с высоким коэффициентом прелом­ ления. Наиболее эффективно непрозрачность увеличивает диоксид титана.

Наполнитель положительно влияет на деформацию бумаги при увлажнении, т.е. стабильность ее размеров. Эти характеристики зави­ сят от развития межволоконного связеобразования, соответственно снижается деформация бумаги при намокании и последующем высы­ хании.

Наполнители благоприятно влияют на печатные свойства бу­ маги (гладкость, лоск, мягкость, красковосприятие, сжимаемость, белизну, светостойкость и т.д.). Следует отметить, что гладкость и лоск наполненной бумаги резко увеличиваются в процессе калан­ дрирования на мягком каландре или суперкаландре.

Белизна и светостойкость бумаги увеличиваются при повыше­ нии белизны и коэффициента преломления наполнителя.

Красковосприятие связано с увеличением пористости и впиты­ вающей способности бумаги, а также с ее мягкостью и сжимае­ мостью. Все эти показатели улучшаются с ростом содержания на­ полнителя и увеличением его дисперсности.

Увеличение содержания наполнителя способствует созданию более равномерной макроструктуры бумаги благодаря улучшению формования бумажного полотна на сеточном столе, снижению хлопьеобразования и равномерному распределению высокодис­ персных частиц наполнителя между целлюлозными волокнами.

В то же время с увеличением содержания наполнителей сни­ жаются показатели прочности бумаги, особенно сильно - сопро­ тивление излому, разрыву, продавливанию, в меньшей степени - раздиранию. С ростом содержания наполнителя уменьшается проч­ ность поверхности, что приводит к повышенной пылимости и снижению сопротивления выщипыванию.

Повышенное содержание наполнителя увеличивает разносто­ ронность бумаги, особенно при формовании на плоском сеточном столе.

Наполнение в нейтральной или слабощелочной среде. Преиму­ щества отлива бумаги в нейтральной или слабощелочной среде обусловлены главным образом отказом от использования значи­ тельных количеств глинозема и возможностью применения карбоната кальция как в качестве наполнителя бумаги-основы, так и в виде компонента меловального покрытия.

Для проклейки в нейтрально-щелочных средах в качестве замени­ телей классического канифольного клея разработаны и внедрены в производство синтетические проклеивающие вещества.

Нейтральный и слабощелочной способы производства бумаги с использованием карбоната кальция в качестве наполнителя имеют ряд преимуществ по сравнению с классической технологией отлива в кислой среде с наполнителем каолином. Наиболее существенные из них для самой бумаги связаны с прочностью, белизной и долго­ вечностью, а для процессов бумажного производства - с размолом, обезвоживанием и сушкой.

Эффективность анионактивных оптических отбеливателей усиливается в нейтральной и слабощелочной средах. Это связано с отсутствием в системе сульфата, который подобно всем катионактивным добавкам снижает эффективность анионных оптических отбеливателей. Высокий уровень белизны карбонатных наполните­ лей позволяет экономить до 80 % оптических отбеливателей по сравнению с кислым способом производства бумаги.

При работе в нейтральных или слабощелочных условиях по­ вышается прочность бумаги. Это позволяет при сохранении неизменного уровня прочности поднять на 3...5 % зольность бума­ ги. Повышению прочности способствует также более благопри­ ятный режим размола (слабощелочная среда, отсутствие минерали­ зации и соединений алюминия). Другим важным фактором, способствующим упрочнению, является высокая степень удержа­ ния крахмала в мокрой части БДМ и хорошая восприимчивость к крахмалу в клеильном прессе.

Отказ от использования сульфата алюминия и низких значений pH способствует значительному повышению стойкости бумаги к старению.

Карбонат кальция, действующий как буферное соединение в процессе кислого гидролиза древесных волокон при длительном хранении бумаги, придает ей высокую устойчивость к старению.

В процессе переработки нейтральная или слабощелочная бумага теряет свою прочность и белизну в значительно меньшей степени, чем бумага, произведенная в кислых условиях.

Слабощелочная среда и низкая минерализация обеспечивают меньшую энергоемкость размола по сравнению с кислой средой. Экономия электроэнергии может достигать 20...25 %. При этом на­ до учитывать возможное снижение пористости бумаги.

Более благоприятное протекание процесса обезвоживания и сушки связано с отсутствием гидроксокомплексов алюминия в волокнистом слое и наличием карбоната кальция в качестве на­ полнителя. По сравнению с каолином карбонат кальция создает более микропористую структуру бумаги. Кроме того, карбонатные наполнители более гидрофобны, чем каолин. Эти преимущества могут трансформироваться в экономию пара или повышение про­ изводительности БДМ.

Вследствие меньшей минерализации нейтральные или слабоще­ лочные системы позволяют осуществить более полное замыкание цикла оборотного водопользования, что способствует лучшему обез­ воживанию благодаря повышению температуры бумажной массы.

Благодаря сильному буферному действию карбонат кальция поддерживает значение pH системы на стабильном уровне в диапа­ зоне 7,2... 8,4.

Удерживающие или фиксирующие системы в нейтральной и сла­ бощелочной средах работают без соединений алюминия. Наиболее широко применяется сочетание модифицированного крахмала и по­ лимерных флокулянтов. В качестве последних можно рекомендовать полиэтиленамин с последующим введением анионного полиакрила­ мида. Высокоэффективными системами удержания являются системы на основе модифицированного катионного крахмала или катионного полиакриламида в сочетании с коллоидным диоксидом кремния или анионным бентонитом.

Для снижения смоляных затруднений в нейтральной или сла­ бощелочной среде можно использовать катионные синтетические полимеры со средней молекулярной массой.

4.4. Крашение бумажной массы

Внешний вид бумаги является одним из основных качествен­ ных показателей. Он зависит не только от отделки, но и от окраски. Около 90 % бумажной продукции вырабатывается с применением

красителей. Окраску бумаги осуществляют, добавляя краситель

вбумажную массу или на поверхность бумажного полотна. Боль­ шинство видов бумаги окрашивается первым способом.

Кбумаге для письма и печати предъявляются более высокие требования по белизне. Однако бумага, изготовленная даже из цел­ люлозы высокой степени белизны, имеет некоторый желтый оттенок. Для его устранения применяют подцветку бумаги, вводя

внеё небольшое количество (5...50 г/т продукции) фиолетового, синего или смеси синего с красным красителей. Такая бумага ка­ жется белой за счёт отражения красителем сине-фиолетовой части спектра, которая поглощается неподцвеченной бумагой. Истинная

белизна бумаги, определяемая фотометром, не увеличивается, а, наоборот, снижается, так как подцветочные красители не явля­ ются спектрально чистыми, т.е. отражают не только сине­ фиолетовую, но и другие части спектра. Для повышения истинной белизны бумаги применяют оптические отбеливатели или бланкофоры. Они обладают способностью превращать ультрафиолетовую, невидимую, часть спектра в видимые сине-фиолетовые лучи.

Для красящих веществ характерно наличие в их молекулах хромофорных групп, придающих веществам окраску. К ним отно­ сятся азогруппа - N=N этиленовая группа - СН=СН -

инитрогруппа - N “Q •

Вбумажном производстве применяются основные, кислотные, прямые, протравные, кубовые и сернистые красители.

Для основных красителей характерна высокая интенсивность ок­ раски. Однако они малоустойчивы к действию света, щелочей, кислот, восстановителей, окислителей, чувствительны к солям жёсткости во­ ды. Имеют сродство к небелёной целлюлозе и древесной массе. Сродство их к волокну увеличивается прямо пропорционально содер­ жанию лигнина. Фиксация основного красителя на волокне резко

повышается при использовании протравы. Естественная протрава - танин, искусственная - закрепитель Т, закрепитель ФФ и др. Заряжен­ ные положительно, катионы основных красителей могут взаимодействовать с анионами прямых и кислотных красителей с об­ разованием труднорастворимых комплексов.

Путём введения после основного красителя прямого или ки­ слотного можно усилить фиксацию красителя на волокне.

Расход красителей составляет 0,02... 1,5 % от массы волокна в зависимости от требований насыщенности цветового тона.

Кислотные красители уступают основным в красящей спо­ собности, но более устойчивы к действию света, менее чувствиительны к солям жёсткости воды, но малоустойчивы к действию ки­ слот, щелочей, хлора.

Кислотные красители не имеют сродства к растительным во­ локнам и плохо окрашивают целлюлозу. Применяются для окраски клеёной бумаги, при этом глинозёма добавляют в 1,5 раза больше обычного. При взаимодействии кислотного красителя с глинозёмом образуется лак, который адсорбируется волокном.

Расход красителя - 0,05...6 % от массы волокна. Учитывая большой расход красителя, его применяют для получения оттенков слабой интенсивности. При этом соблюдается следующий порядок: в бумажную массу вводят краситель, затем A12(S04)3 для осаждения его на волокне в виде лака, затем клей и AfeCSO^ для закрепления клея на волокне.

Прямые красители могут образовывать водородную связь

сгидроксилами целлюлозы, т.е. имеют непосредственное сродство

кцеллюлозе, окрашивая её без всяких протрав (отсюда и название - прямые).

Сродство красителей к волокну уменьшается по мере увеличе­ ния содержания лигнина, который блокирует гидроксильные группы.

Прямые красители являются наиболее распространёнными и дешёвыми. Они светоустойчивы, однако уступают основным кра­ сителям по интенсивности окраски.

Расход - 0,02...2,5 % от массы волокна. Растворы прямых кра­ сителей чувствительны к солям жёсткости воды. Поэтому при получении клеёной бумаги рекомендуется следующий порядок введения: клей - краситель - глинозём - наполнитель.

Введение клея смягчает жёсткую воду, благодаря чему краси­ тель находится в тонкодисперсном состоянии.

Крашение бумажной массы красителями разных групп. Для придания бумаге определённого тона при крашении смешанных композиций используют красители смешанных групп: кислотный и основной, прямой и основной, кислотный и прямой.

При совместном крашении основными и кислотными красите­ лями нельзя смешивать вместе растворы этих красок, так как они при этом выпадают в осадок, реагируя друг с другом. Необходимо

вводить их в бумажную массу раздельно: сначала кислотный кра­ ситель, а затем, после введения клея и глинозема, основной краситель. Совместное крашение кислотными и основными краси­ телями способствует лучшему использованию первых и уменьше­ нию потерь красителей со сточными водами.

При совместном крашении бумажной массы прямыми и основ­ ными красителями, которые при смешивании также коагулируют, первыми в бумажную массу следует вводить прямой краситель (при pH массы выше 6), а затем после перемешивания с массой и прибавле­ ния глинозема, при pH 4,5.. .5,5 основной краситель.

Кислотные и прямые красители при смешении растворов не дают осадков, однако все же целесообразнее вводить их в бумаж­ ную массу раздельно. Первым в бумажную массу следует вводить прямой краситель.

Красители, нерастворимые в воде. Для окраски некоторых ви­ дов бумаги применяют кубовые и сернистые красители, широко используемые в текстильной промышленности.

Эти красители требуют более сложных методов крашения мас­ сы, не всегда совместимых с обычными процессами ее подготовки, поэтому их применяют только для окраски специальных видов продукции.

Из класса кубовых красителей в производстве бумаги нашли применение красители антрахинонового ряда, отличающиеся более высокой светопрочностью.

Крашение бумаги кубовыми красителями ограничено из-за их дороговизны и сложности производства.

Сернистые красители получают взаимодействием окси- и аминосоединений ароматического ряда с серой и полисульфида­ ми натрия.

Сернистые красители обладают очень высокой светопрочно­ стью и водостойкостью, они дешевы, но дают тусклую окраску.

При использовании сернистых водорастворимых красителей разных цветов в виде их бисульфитных соединений и производных монохлоруксусной кислоты в массу добавляют сульфид натрия. Можно также закреплять эти красители с помощью сернокислого глинозема.

Нерастворимые азокрасители. Этот способ заключается в том, что в бумажную массу вводят сначала слабощелочной рас­

твор азотола, а затем диазотированный раствор азоамина, вследст­ вие чего на волокне возникает азокраситель.

Эти красители отличаются яркостью и устойчивостью к свету, воде и химикатам.

Химически активные красители. Эти красители в отличие от обычных красителей присоединяются к волокнам вследствие обра­ зования с ними химической (эфирной) связи.

Эти красители имеют водорастворимые группы (HSO3 или СООН) и гидроксильные группы (ОН). По своему химическому строению они близки к кислотным красителям, обладают малым сродством к целлюлозе, даже при низкой температуре растворяются в воде, спо­ собны давать окрашенные лаки с сернокислым глиноземом.

Химически активные красители имеют отрицательный заряд, малочувствительны к жесткой воде и могут применяться при сме­ шанном крашении с другими красителями, кроме катионных.

Технологические факторы процесса крашения бумаги в массе. На крашение бумажной массы влияют многие факторы: степень размола и вид волокна, содержание проклеивающих ве­ ществ, минеральных наполнителей и сернокислого глинозема, pH среды и температура при крашении, температура сушки бумаги, каландрирование и др.

Повышение степени помола бумажной массы всегда улучшает окраску бумаги, интенсивность и глубину тона при меньшем рас­ ходе красителя. Это объясняется частично увеличением поверхности волокон и некоторым повышением их адсорбционных свойств, но главным образом изменением физических свойств бу­ маги при размоле волокна, повышением ее плотности и снижением пористости, в результате чего количество отражаемого света уменьшается, а проходящего - увеличивается. Если через бумагу проходит больше света, то краситель, находящийся в ней, больше поглощает световых лучей определенного диапазона и тем самым увеличивает цветность. Влияние на увеличение интенсивности ок­ раски бумаги оказывает также ее каландрирование, однако в меньшей степени, чем размол бумажной массы.

Как уже отмечалось при характеристике отдельных групп кра­ сителей, различные виды волокнистых материалов по-разному окрашиваются красителями разных групп в зависимости от степени очистки и химического состава волокна.

Основные красители хорошо окрашивают древесную массу, полуцеллюлозу и небеленую целлюлозу. Значительно хуже и толь­ ко с помощью сернокислого глинозема и других протрав окрашивают беленую целлюлозу и еще хуже облагороженную цел­ люлозу, тряпичную и хлопковую полумассу.

Прямые красители хорошо прокрашивают беленую целлюлозу, хлопковую и тряпичную полумассу, несколько хуже небеленую целлюлозу и, особенно, древесную массу.

Кислотные красители окрашивают все виды растительных во­ локон, но только с помощью глинозема и еще лучше с проклейкой канифолью. Без глинозема, при выработке неклееной бумаги, ки­ слотные красители не применяются, так как они плохо окрашивают растительное волокно, не имея к нему сродства.

Пигментные красители окрашивают все виды растительных волокон, но только при использовании сернокислого глинозема. Из-за сравнительной дороговизны они применяются главным обра­ зом для крашения высокосортной бумаги.

Известную трудность представляет крашение бумаги смешан­ ной композиции, состоящей из древесной массы и целлюлозы, особенно беленой, т.е. из волокон разной степени делигнификации, к которым красители имеют различное сродство. При окраске бу­ маги смешанной композиции основными красителями быстрее и интенсивнее закрашиваются волокна древесной массы, из-за чего бумага получает так называемую мраморную окраску. Поэтому це­ лесообразнее такую бумагу окрашивать кислотными красителями.

Древесная масса прокрашивается неравномерно из-за ее неод­ нородности и наличия в ней неразмолотых пучков и щепочек.

Крашение небеленой сульфатной целлюлозы затрудняется изза ее естественной коричневатой окраски. Из этой целлюлозы не­ возможно получить цветную бумагу чистых и светлых тоиов.

Многие минеральные наполнители обладают хорошим сродст­ вом к основным и плохим - к прямым красителям. Каолин имеет большее сродство к основным красителям, чем небеленая целлюло­ за, поэтому он поглощает краситель из раствора при крашении бумажной массы и ухудшает окраску бумаги. Чтобы снизить ад­ сорбцию красителя наполнителями, целесообразно вводить их в бумажную массу после адсорбции и закрепления красителей на волокне. Разная степень окраски наполнителя и волокна - одна из