книги / Подготовка полуфабрикатов для получения бумаги

Латексы SB (стиролбутадиеновые) предназначены для покрытия бумаги, придают превосходные прочностные свойства поверхности. Латексы PVAc/A (поливинилацетатакриловые) отлично сохраняют белизну покрытия, способствуют лучшей переработке бумаги и картона (брошюрирование, склеивание). Латексы SA (стиролакриловые) отлично подходят для покрытия высокосортной бумаги, светостойки и имеют хорошие печатные свойства.

Кроме того, для улучшения качества проклейки используются следующие добавки:

–органическое производное акриловой кислоты, представляющее собой синтетический загуститель для меловальной пасты, в покрытиях бумаги и картона;

–стеарат кальция, улучшающий печатные свойства покрытий;

–раствор неорганической соли на основе аммонийного карбоната окиси циркония; это специальная добавка, не содержащая формальдегид, служит для увеличения влагопрочности покрытия при печати;

–синтетические эмульсии, предназначенные для поверхностной обработки бумаги и картона для придания барьерно-защитных свойств, жиро- и паростойкости.

9.НАПОЛНЕНИЕ БУМАГИ

9.1. Цель введения наполнителей

Цель введения наполнителей – экономия волокнистых полуфабрикатов, повышение белизны, непрозрачности, впитывающей способности, гладкости после каландрирования. Для этого применяются каолин, тальк, мел, гипс и др. Однако введение наполнителей снижает прочность бумаги и затрудняет ее проклейку.

О количестве наполнителей в бумаге судят по ее зольности. Максимальная зольность составляет 25–30 %.

По содержанию наполнителей бумага делится на пять групп:

81

1)с естественной зольностью (электроизоляционная, фильтровальная, бумага-основа для пергамента и др.);

2)малозольная, зольность менее 6 % (газетная, обойная и др.);

3)средней зольности, зольность 6–18 % (писчая, офсетная, типографская и др.);

4)повышенной зольности, зольность18–23 %;

5)высокозольная, зольность более 23 % (типографская, иллюстрационная, для глубокой печати, словарная); некоторые виды бумаги можно отнести к 4-й и 5-й группам.

Введение наполнителя увеличивает пористость бумаги, так как частицы наполнителя препятствуют сближению волокон при получении бумаги, что приводит к повышению водо- и паропроницаемости.

С наполнителем снижается склонность бумаги к деформации при увлажнении и повышается скорость сушки бумаги.

Частицы наполнителя обладают абразивным свойством, что особенно сказывается на снижении сопротивления бумаги излому. При этом волокна перетираются о грани частиц. Абразивное действие приводит к понижению срока службы сеток бумагоделательной машины. С повышением содержания наполнителя повышается вялость бумаги и ее пылимость.

Введение наполнителя улучшает просвет бумаги. Большинство наполнителей уменьшает шум при перелистывании. Гипс придает бумаге звонкость и жесткость.

При введении наполнителя толщина бумаги уменьшается, а плотность увеличивается. Плотность целлюлозной бумаги без наполнителя 0,7 г см3; при введении каолина в количестве 18–20 % плотность повышается до 0,78–0,8 г см3.

Непрозрачность бумаги повышается с увеличением степени дисперсности наполнителя, улучшается преломление и отражение света частицами наполнителя.

Белизна бумаги зависит от степени белизны наполнителя. Для бумаги из небеленой целлюлозы степень белизны наполнителя 70– 75 %, для бумаги из беленой целлюлозы 85–90 %. Кроме того, белизна бумаги зависит от степени дисперсности наполнителя. Наи-

82

большей кроющей способностью обладают сульфит цинка (бланфикс) и двуокись титана.

Степень проклейки бумаги снижается вследствие сорбции проклеивающих веществ наполнителем и дополнительного расхода сульфата алюминия для его удержания. При выработке клееной бумаги ограничивают введение наполнителя до 6–8 %.

Наполнитель в бумаге располагается неравномерно из-за сильного отсасывающего действия обезвоживающих элементов сеточного стола.

9.2. Удержание наполнителей в бумаге

Значительная часть наполнителей уходит с подсеточной водой. Удержание наполнителя составляет 70–80 % с использованием флокулянтов и 30–40 % без них.

Наполнитель удерживается в бумаге механически, за счет адсорбции и флокуляции. Механическое удержание зависит от размеров и формы частиц наполнителя, размеров волокон и пор в бумаге. Лучшим удержанием обладает тальк (60–70 %), имеющий чешуйчатую форму; частицы каолина имеют округлую форму и удержание его 35–40 %.

Наибольшей удерживающей способностью обладает древесная масса и соломенная целлюлоза, имеющие наиболее тонкие и мелкие волокна, наименьшей – хлопковая полумасса, дающая пористый лист бумаги. Удержание возрастает с увеличением степени помола, так как увеличивается поверхность волокна. Однако при дальнейшем размоле появляется много мелочи и резко увеличивается провал наполнителя сквозь сетку при отливе бумаги. Сульфат алюминия снижает отрицательный потенциал частиц наполнителя и способствует его удержанию.

Флокулирующие вещества (полиакриламид, полиоксиэтилен) связывают частицы наполнителя и мелкие волокна в флокулы, которые задерживаются на сетке бумагоделательной машины. При расходе полиакриламида 200–300 г на 1 т бумаги удержание каолина возрастает на 20–25 %. Раствор полиакриламид вводят в коллектор

83

напорного ящика. Более раннее его введение снижает эффективность действия.

Проклейка бумаги увеличивает удержание наполнителя, так как осаждающийся клеевой осадок увлекает частицы наполнителя. В связи с этим существует определенный порядок введения химикатов в бумажную массу.

При изготовлении малозольных видов бумаги сначала в массу вводят клей, затем Al2(SO4)3 и каолин. При изготовлении высокозольных видов бумаги последовательность такова: клей, каолин, сульфат алюминия.

9.3. Влияние наполнителей на свойства бумаги

Минеральные наполнители оказывают влияние на многие свойства бумаги: толщину, объемный вес, впитывающую способность, воздухопроницаемость, деформацию, гладкость и лоск, белизну, непрозрачность, механическую прочность, степень проклейки и пр. Степень влияния на эти показатели зависит от вида и количества вводимых наполнителей.

Толщина и объемный вес бумаги. Толщина бумаги снижается при введении минеральных наполнителей, а объемный вес ее увеличивается. Изменение этих свойств бумаги зависит от удельного веса и степени дисперсности наполнителей. Чем выше степень дисперсности наполнителя и его удельный вес, тем больше снижается толщина и повышается объемный вес бумаги. Наибольшим удельным весом отличаются такие наполнители, как окись цинка, бланфикс, сульфид цинка, двуокись титана. Эти же наполнители обладают и высокой степенью дисперсности. По этой причине указанные наполнители более других снижают толщину и увеличивают объемный вес бумаги.

Каолин, мел, тальк, асбестин и гипс обладают значительно меньшим удельным весом, степень дисперсности частиц у них также ниже, чем у предыдущей группы наполнителей. По этой причине понижение толщины бумаги и увеличение объемного веса при введении этих наполнителей в бумажную массу меньше, чем у первых.

84

Наибольший объемный вес бумаги получается при введении бланфикса, а наименьший – при введении необожженного, грубозернистого гипса. В последнем случае толщина некаландрированной бумаги может даже повыситься.

Увеличение объемного веса и понижение толщины бумаги для печати при той же площади позволяют сделать книгу более компактной и удобной в обращении.

Пористость и впитывающая способность бумаги. Порис-

тость, характеризуемая воздухопроницаемостью, и впитывающая способность бумаги при использовании минеральных наполнителей возрастают. Показатели эти увеличиваются тем больше, чем крупнее частицы наполнителя.

Действие минеральных наполнителей на показатели воздухопроницаемости и впитывающей способности объясняется тем, что частицы наполнителя разъединяют волокна и понижают межволоконные силы связи в бумажном листе, что приводит к повышению пористости, впитывающей способности и мягкости бумаги и уменьшению сопротивления разрыву и излому. При каландрировании бумага с минеральным наполнителем уплотняется и воздухопроницаемость ее понижается.

Упругость, мягкость и гладкость бумаги. Почти все наполни-

тели делают бумагу менее упругой, более мягкой, лучше сглаживающейся при каландрировании. Исключение составляет гипс, который придает бумаге жесткость и звонкость. Поэтому его не рекомендуют применять для наполнения бумаги для печати, но можно использовать для писчей и почтовой бумаги, где жесткость и звонкость допустимы.

Снижение упругости и повышение мягкости бумаги при введении наполнителей происходит вследствие внедрения инертных частиц наполнителя в межволоконные пространства и более слабого развития по этой причине межволоконных сил связи.

Упругость бумаги, характеризуемая способностью восстанавливать первоначальную форму при сжатии, изгибе или скручивании, – свойство, противоположное пластичности. Этим свойством должна обладать, например, мундштучная бумага. Упругость бума-

85

ги, как и механическая прочность, довольно сильно снижается при введении в бумажную массу даже сравнительно небольших количеств каолина.

Гладкость некаландрированной бумаги от введения наполнителей обычно не повышается, но зато она существенно увеличивается при каландрировании. Это объясняется тем, что более пластичная бумага лучше сглаживается и на ее поверхности легче выравниваются все неровности, а также тем, что наполнитель заполняет углубления в поверхности листа и этим уменьшает его шероховатость. Большую гладкость бумаге придают тонкодисперсные и более пластичные наполнители, такие как тальк, асбестин и каолин. Грубодисперсные и менее пластичные наполнители, например гипс, в особенности необожженный, сообщают бумаге меньшую гладкость.

Деформация бумаги. Изменение линейных размеров бумажного листа при увлажнении и при последующей сушке – важный показатель качества многих видов бумаги (документной, картографической, офсетной, литографской, фотоподложки и др.), которые должны иметь низкую деформацию. Введение наполнителей в бумагу снижает их деформацию при изменении влажности. Повидимому, это свойство бумаги связано с уменьшением межволоконных сил связи и снижением ее гигроскопичности.

Белизна. Белизна одного и того же вида природного наполнителя бывает различной в зависимости от его месторождения. Искусственные наполнители отличаются постоянством цвета и высокой степенью белизны (бланфикс, двуокись титана, осажденный карбонат кальция и др.). Для бумажного производства применяются обычно наполнители, имеющие более высокую степень белизны, чем волокно, или по крайней мере такую же. Для производства промышленных видов бумаги, для которых цвет не имеет значения, а преследуется цель замены части волокна более дешевым минеральным наполнителем, применяют иногда темноокрашенные дешевые наполнители.

Для бумаги из небеленой целлюлозы можно применять наполнители с белизной не ниже 70–75%, для беленой целлюлозной бумаги – 85–90%, а для тряпичной – не ниже 92 %. При одной и той же

86

белизне наполнителей и равном содержании их в бумаге ее белизна может быть различной. Она зависит от осветляющего действия наполнителей. Осветляющее действие, или способность наполнителей сообщать белизну бумаге, зависит главным образом от степени дисперсности и кроющей способности наполнителей. По этой причине грубодисперсные наполнители (например, гипс) придают бумаге меньшую белизну, чем при той же самой белизне, но при большей степени дисперсности частиц другие наполнители. Наибольшей кроющей способностью отличаются титановые пигменты, сульфид цинка, бланфикс и гидросиликат кальция.

Непрозрачность бумаги. Свойство прозрачности или непрозрачности всякого материала зависит от его способности поглощать, отражать и рассеивать световые лучи. Последнее свойство в значительной мере зависит от степени однородности материала. Если материал однороден и не поглощает световых лучей, то лучи проходят через него, и материал является прозрачным. Если световые лучи встречают на своем пути неоднородную среду, то они отражаются, преломляются, рассеиваются и материал приобретает непрозрачность. По этой причине бумага для кальки, изготовленная из массы жирного помола и хорошо уплотненная на каландре, становится более оптически однородной и приобретает прозрачность. Пухлая фильтровальная бумага, изготовленная из волокон садкого помола и имеющая большое количество пор, внутри которых находится воздух, представляет собой оптически неоднородную среду и является непрозрачной.

Минеральный наполнитель, введенный в бумажную массу, увеличивает оптическую неоднородность бумаги и понижает ее прозрачность.

Эффективность наполнителей в этом отношении различна и зависит от степени дисперсности и коэффициента преломления световых лучей. Чем больше коэффициент преломления наполнителя отличается по своему значению от коэффициента преломления волокна и чем выше степень дисперсности наполнителя, тем больше он повышает светонепроницаемость бумаги. Важное значение имеет

87

икоэффициент рассеивания света наполнителя: чем он выше, тем больше эффективность наполнителя.

Оптимальный размер частиц наполнителя, обладающих максимальной кроющей способностью и сообщающих бумаге наибольшую непрозрачность, находится в пределах 0,3–0,4 мк, т.е. равен примерно половине длины световой волны. При такой величине минеральные частицы наполнителя обладают максимальным коэффициентом рассеивания и отражения света.

Наибольшими коэффициентами преломления и рассеивания отличаются: двуокись титана, сульфид цинка и бланфикс. Эти же наполнители придают бумаге большую непрозрачность. Мел, каолин

итальк обладают коэффициентом преломления, очень близким по величине к коэффициенту преломления целлюлозы, и более низкими коэффициентами рассеивания, но, несмотря на это, они значительно повышают непрозрачность бумаги. Это объясняется тем, что наполнители, располагаясь между волокнами, увеличивают оптическую неоднородность бумажного листа.

Особенно эффективны титановые наполнители. Двуокись титана повышает непрозрачность бумаги в 5–10 раз больше, чем каолин. Титановые пигменты широко применяются в производстве тонкой бумаги для печати. Они способны придать ей хорошую непрозрачность при малом количестве пигмента без ослабления прочности листа. Для обеспечения равноценной непрозрачности бумаги обычных наполнителей потребовалось бы ввести в нее гораздо большее количество

ипрочность бумажного листа при этом сильно понизилась бы.

Механическая прочность бумаги. Такие показатели механиче-

ской прочности бумаги, как сопротивление разрыву, излому и продавливанию, при введении в нее наполнителей снижаются. При увеличении зольности бумаги до 3–4 % падение ее прочности заметно мало, а при дальнейшем повышении зольности эти показатели качества бумаги уменьшаются примерно по закону прямой линии. При этом больше всего падает сопротивление бумаги излому. Например, при зольности бумаги 10 % (каолин) прочность бумаги на продавливание снижается на 20 %.

88

Действие наполнителей на прочность бумаги зависит от их степени дисперсности, вида волокнистых материалов, из которых изготовлена бумага, характера помола, проклейки и других факторов.

Проклейка бумаги. Наполнители ухудшают проклейку бумаги. Поэтому при выработке хорошо проклеенной бумаги введение в нее наполнителей ограничивается 6–8 % золы. Особенно сильно снижается степень проклейки бумаги при зольности выше 10 %. Например, при зольности бумаги 18 % степень проклейки снижается на 60–70 %, по сравнению с этим показателем бумаги без наполнителей. При повышении содержания в бумаге наполнителей степень ее проклейки падает примерно по закону прямой линии. При этом имеет значение природа наполнителей: некоторые наполнители, например мел, бланфикс и сернистый цинк, вызывают более сильное снижение степени проклейки, другие (гипс и тальк) – меньшее.

Влияние наполнителей на некоторые другие свойства бумаги.

Наполнители влияют также на пылимость и разносторонность бумаги. Оба эти свойства нежелательны для многих видов бумаги и в особенности для печатной бумаги. Пыление бумаги при печатании загрязняет печатные формы и понижает качество изображения. Пыление бумаги возрастает с увеличением содержания в ней наполнителя. Оно может быть снижено применением крахмальной проклейки и введением в бумагу меламино-формальдегидной смолы.

Разносторонность, или двусторонность, как ее также называют, является не менее серьезным дефектом бумаги, чем пыление. Этот дефект заключается в том, что сеточная и лицевая стороны листа бумаги имеют различные оттенок, гладкость, впитывающую способность, а иногда и степень проклейки. Причина указанного дефекта заключается в неравномерном распределении минерального наполнителя, клеевых частиц и мелкого волокна в толще бумажного листа. Верхняя сторона бумажного листа содержит больше наполнителя и мелкого волокна, чем нижняя, откуда мелочь отсасывается на регистровых валиках и отсасывающих ящиках.

Главной причиной неравномерного распределения наполнителя в бумажном листе и удаления его вместе с мелким волокном и смо-

89

ляными частицами с нижней, сеточной, стороны листа является отсасывающее действие регистровых валиков и своеобразная отмывка мелочи при прохождении сетки с рыхлым слоем волокна над регистровыми валиками. Ввиду того, что отсасывающее действие на регистровых валиках повышается с ростом скорости машины, усиливается и разносторонность бумаги. Поэтому на быстроходных машинах этот дефект бумаги выражается более резко, чем на тихоходных машинах.

9.4. Характеристика наполнителей

Каолин белая глина (Al2O3 . 2SiO2 . 2H2O) – наиболее распространенный наполнитель, поступает на фабрику в виде плиток или в молотом виде в мешках. Белизна 75–80 %, у лучших сортов до 94 %, средний размер частиц 0,2–0,5 мкм.

Тальк (3МgO . 4SiO2 . Н2О). Белизна 70–85 %, размер частиц 2– 20 мкм. Используется для получения бесшумной бумаги.

Гипс (СаSО4 . 2Н2О). Размер частиц 1–10 мкм, белизна 68–93 %. Недостаток растворимость в воде. Придает бумаге звонкость, жесткость; применяется для писчей, почтовой, фотобумаги.

Мел карбонат кальция (СаСО3). Белизна 70–96 %, размер частиц 5 мкм. Придает бумаге мягкость, белизну, снижает прозрачность. Недостаток взаимодействует с Аl2(SO4)3 с выделением СО2, который вызывает пенообразование. Применяется как пигмент для мелования, для получения папиросной и сигаретной бумаги, выполняя при этом функцию регулятора горения.

Сернокислый барий (бланфикс), природный – грубодисперсный,

искусственный высокодисперсный, белизна 98–99 %. Хорошо удерживается в бумаге. Применяется для высокосортных видов бумаги (для фотоподложки, печати и др.).

Двуокись титана (TiO)2. Обладает высокой белизной и дисперсностью, 5–8 % двуокиси титана заменяют 30 % каолина, но его цена в 35–40 раз выше, однако введение его экономически выгодно (вводят 2–3 % в сочетании с другими наполнителями).

90