Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 10
1.1. Соединения алюминия: гидролиз, взаимодействие с целлюлозой, влияние на прочность бумаги и картона 10
1.2. Бумажная макулатура: предпосылки использования, области применения, классификация, подготовка к отливу, бумагообразующие свойства и способы их улучшения 23
1.3. Вспомогательные химические вещества в производстве тестлайнера: виды и влияние на свойства продукции при введении в массу и поверхностной проклейке 36
1.4. Выводы и постановка задачи исследований 49
2. Методическая часть 53
2.1. Характеристика использованных волокнистых полуфабрикатов и химикатов 53
2.2. Подготовка макулатуры к отливу и изготовление лабораторных образцов картона 54
2.3. Методы испытаний образцов картона 55
2.4. Определение водоудерживающей способности 55
2.5. Метод получения катионированной клеевой дисперсии на основе нефтеполимерных смол (НПС) 56
2.6. Определение удержания клея в картоне 58
2.7. Определение электрокинетического потенциала методом микроэлектрофореза 59
2.8. Приготовление крахмала 61
2.9. Количественное определение крахмала в картоне 61
2.10. Обработка результатов эксперимента 62
3. Экспериментальная часть 64
3.1. Соединения алюминия. Влияние на основные свойства тестлайнера 64
3.2. Крахмал и связующие добавки на его основе. Влияние на основные свойства тестлайнера 84
3.3. Соединения алюминия и крахмала. Совместное применение и влияние на основные свойства тестлайнера 103
3.4. Катионированный крахмал: способы получения, свойства и влияние на прочность тестлайнера 108
3.5. Производственные эксперименты: разработка разового регламента обоснованной технологии тестлайнера, анализ результатов опытной выработки тестлайнера на ОАО "Алтайкровля" 113
Общие выводы 116
Литература 119
Приложение 135
- Бумажная макулатура: предпосылки использования, области применения, классификация, подготовка к отливу, бумагообразующие свойства и способы их улучшения
- Подготовка макулатуры к отливу и изготовление лабораторных образцов картона
- Определение электрокинетического потенциала методом микроэлектрофореза
- Соединения алюминия и крахмала. Совместное применение и влияние на основные свойства тестлайнера
Введение к работе
Значение обоснованности выбора направления прикладных исследований в условиях перехода отечественной целлюлозно-бумажной промышленности к рыночным отношениям существенно повышается. Неправильный выбор темы не позволит реализовать результаты исследования в промышленности, а, следовательно, практическая значимость работы будет сведена к нулю.
Исходя из реально существующих в стране экономических условий, при определении направления исследования, по нашему мнению, целесообразно учитывать следующие соображения:
- инновационный интерес будут представлять технологии, не требующие капитальной перестройки производства, с небольшим сроком окупаемости и сравнительно низким уровнем инвестиций;
- исследования должны носить комплексный характер;
- результаты исследования должны быть применимы к наиболее массовым видам продукции, пользующимся устойчивым спросом на внутреннем и внешнем рынках;
- наряду с научной новизной, результаты исследований при их освоении в промышленности должны существенно повышать качество продукции, снижать её себестоимость, как за счет совершенствования технологии, так и за счёт повышения производительности процесса с одновременным снижением эксплуатационных расходов, а также быть экологически безопасными.
Целлюлозно - бумажная промышленность (ЦБП) является одной из наиболее динамично развивающихся в мире отраслей. На международной конференции в городе Баден-Баден (Германия), состоявшейся в 2001 году, были рассмотрены перспективы развития производства целлюлозы, бумаги, картона и проблемы обеспечения ЦБП сырьем.
По сравнению с 1980 годом мировое производство бумаги и картона выросло к 2000 году со 171 до 319 млн т/ год, то есть, практически, удвоилось. По прогнозам экспертов, при среднегодовом темпе роста 3,1 % выработка бумаги и картона в 2010 г. достигнет 422 млн т/ год. Из них около 42% придется на долю картона [1]
В настоящее время в нашей стране и за рубежом наиболее активно растет производство бумаги для печати, а также тароупаковочных видов бумаги и картона, особенно бумаги для гофрирования коробочного картона и картона для плоских слоев (КСП) гофрированного картона. Эти виды продукции пользуются постоянным и устойчивым спросом, как на внутреннем, так и на внешнем рынках.
При этом коробочный картон и КСП, известный за рубежом как крафтлайнер (из 100 % сульфатной небеленной целлюлозы из хвойных пород древесины) или тестлайнер (с содержанием в композиции до 100 % макулатуры) могут быть отнесены как к печатным, так и тароупаковочным видам продукции.
Это следует из функциональных требований к тарному картону, определяемых двумя аспектами: транспортировки упаковочных товаров без потерь и передачи информации.
Отсюда, с одной стороны, жесткость картона в поперечном направлении зависит, главным образом, от плотности и пухлости. Эти показатели определяют выбор волокнистых полуфабрикатов и конструкции КДМ. С другой стороны, поверхность картона должна быть гладкой и глянцевой, чтобы обеспечить высокое качество печати. В этом случае для достижения необходимых результатов определяющими показателями являются мелование и каландрирование [2].
Гофрированный картон занимает значительную часть рынка транспортной тары - свыше 70 %. В свою очередь, крафтлайнер и бумага для гофрирования занимают только 30% рынка, тогда как тестлайнер и флютинг составляют 70 % рыночного сегмента этого вида продукции. При этом наблюдается тенденция к увеличению сегмента рынка тестлаинера [3].
В условиях закономерного стремления отечественных предприятий к повышению конкурентоспособности своей продукции в производство тарного картона также вовлекаются все больше дешевых полуфабрикатов: макулатуры, древесной массы различных способов получения, целлюлозы из лиственных пород древесины и некоторых других. Эти исходные полуфабрикаты обычно отличаются пониженными показателями механической прочности и долговечности, особенно при традиционном изготовлении картона в кислой среде [4,5]
До недавнего времени из общего количества перерабатываемой макулатуры на отечественных предприятиях 84,3% расходовали для выработки картона и 15,7% - для выпуска бумаги. При этом в производстве тарного картона только 18-20% от общего выпуска продукции вырабатывали с применением небольших количеств вторичного волокна. Объясняется это высокими требованиями, предъявляемыми к прочностным свойствам тарного картона [6]. Однако, в последние 10-летие при переходе отечественных предприятий, особенно малых и средних, к работе в рыночных условиях с жесткой конкуренцией они стали производить тестлайнер из 80-100% макулатуры [7].
Прочностные свойства КПС зависят не только от исходного сырья и добавок вспомогательных веществ но и в большой степени от конструкции К ДМ.
В США в 2001 году была пущена в работу машина, изготовляющая КПС на скорости до 1200 м/мин [8]. В Европе наиболее быстроходная (скорость до 1200 м/мин) и производительная (до 200 т/сутки) с обрезной шириной 5000 мм машина фирмы «Voith Sulzer» по выпуску бумаги для гофрирорвания и тестлаинера массой 1м от 90 до 160 г была введена в эксплуатацию ещё в октябре 1996 года. Её инновационные ключевые компоненты включают: напорный ящик для двухслойного отлива с регулированием поперечного профиля водой для разбавления; дуоформер CFD с формующим устройством «Gapformer» с элементами гидропланки; два башмачных пресса с расширенной зоной прессования «Tandem Nipco Flex» с контрваликами «Nipco»; одно - и двухрядные сушильные группы с дуоклинером, что обеспечивает минимальную усадку в поперечном направлении и заправку без канатиков; клеильный пресс с валом «Nipco» для нанесения крахмала [ 9 ].
Представленные выше технические решения соответствуют тенденциям по созданию современных КДМ для производства тарного картона [2,3] со следующими дополнениями: предлагается установить 3 формующих устройства «Duo Former Тор», что позволяет получить покровный слой из беленой целлюлозы и иметь гибкое решение по композиции для различных видов многослойного картона, включая картон для упаковки жидких продуктов; поверхностную проклейку осуществлять в скоростном клеильном прессе «Speedsizer», обеспечивающим равномерный профиль покрытия и снижающий количество влаги, попадающей в картон при проклейке; для получения гладкости, сравнимой с гладкостью после сушильного Янки-цилиндра, устанавливать систему твердых и мягких каландров с использованием перепада температуры и влажности картона; встроенное меловальное устройство «Jet Flow F» с роликовым шабером и лезвием для регулирования расхода меловальной суспензии обеспечит высокое качество покрытия на скоростях более 1000 м/мин.
В нашей стране пока отсутствуют современные линии для выпуска тарного картона, особенно тестлайнера, которые должны помимо машин включать в себя эффективные системы роспуска и очистки бумажной массы из макулатуры [7, 10, 11].
Важнейшим и обязательным условием изготовления КПС из 80-100% макулатуры является применение различных связующих (крахмала, латекса, эфиров целлюлозы и др.) путем введения их в бумажную массу или нанесения на поверхность картона, что компенсирует низкие бумагообразующие свойства вторичного сырья. Поэтому поиск новых и правильное применение существующих вспомогательных веществ является актуальной задачей.
В связи с этим несомненно заслуживают внимания дешевые, доступные и широко применяемые в производстве бумаги и картона добавки соединений алюминия, главным образом, сульфат алюминия, квасцы и алюминат натрия. На их долю приходится более 35% от всех вспомогательных веществ, используемых в нашей стране в бумажной промышленности [12].
В работах Г. И. Чижова и выполненных под его руководством [13] показаны новые направления в использовании соединений алюминия в бумажно-картонном производстве. В частности, для повышения прочности бумаги и картона [14, 15] в сухом, а после термообработки и во влажном состоянии [16]; проклейки бумаги в нейтральной и слабощелочных средах канифольным клеем [17]; модификация клея из нефтеполимерных смол и наполнителей (диоксида титана, каолина) путем придания им катионного характера [18] и др.
Однако, вопросы проклейки в массе тарного картона крахмалом и некоторыми другими связующими в присутствии соединений алюминия изучены недостаточно. Количество работ, посвященных этим вопросам, невелико, методически они разнородны, а выводы авторов зачастую противоречивы.
Настоящая работа может рассматриваться как определенный вклад в разработку новых направлений применения алюминия, в том числе в процессах крахмальной проклейки в массе макулатуры для тестлайнера и придания крахмалу катионного характера.
В результате исследований автором разработана научно-обоснованная технология изготовления тестлайнера с добавкой катионизированного крахмала в широком дипазоне рН.
Основными элементами исследования являлись: изучение влияния раздельной и совместной добавки крахмала и соединений алюминия на свойства тестлайнера; разработка способа изготовления катионизированного сульфатом алюминия и алюминатом натрия крахмала, разработка научных основ проклейки в массе тестлайнера модернизированным крахмалом.
Результаты лабораторных исследований были проверены в производственных условиях ОАО «Алтайкровля» и закончились положительно.
Ожидаемый экономический эффект от применения новой технологии получения тестлайнера несомненен и будет определен после опытно-промышленного освоения указанной продукции, в ОАО «Алтайкровля».
Автор выносит на защиту:
- наблюдаемые закономерности и количественные оценки влияния раздельной и совместной добавки различных видов крахмала и соединений алюминия на свойства тестлайнера из 100% макулатуры;
- способы модификации и условия применения катионизированных сульфатом алюминия и алюминатом натрия крахмалов для повышения качества тестлайнера;
- технологические основы изготовления тестлайнера с применением катионизированных соединениями алюминия крахмалов.
Бумажная макулатура: предпосылки использования, области применения, классификация, подготовка к отливу, бумагообразующие свойства и способы их улучшения
В историческом плане использование бумажной макулатуры неразрывно связано с началом производства бумаги, так как образующийся при этом сухой брак, возвращаемый в технологический поток является ничем иным, как вторичным сырьем - макулатурой.
Помимо «естественного» использования макулатуры в бумажно-картонном производстве существовал целенаправленный сбор и применение макулатуры в композиции, прежде всего в низкокачественных видах картона, и в меньшей степени в бумаге.
Это обусловлено несколькими причинами [97]: - ресурсосбережением, так как примерно, 50-60 кг макулатуры, сохраняет от вырубки одно дерево, которое вырастает до деловой спелости в течение 50-80 лет;- экологическими проблемами, которые весьма актуальны при наличии труднораспускаемой, влагопрочной, битумированной, ламинированной полиэтиленом и другими покрытиями бумажной макулатуры. В природе такая макулатура будет разлагаться десятилетиями. Поэтому необходимость ее утилизации промышленными методами совершенно очевидна и необходима;- экономическая целесообразность является главной причиной использования макулатуры в бумажно-картонном производстве. Стоимость 1т макулатуры в России колеблется в зависимости от марки в пределах 180-230$, в то время как 1т целлюлозы стоит 500-650$.- относительно низкой капиталоемкости проектов новых предприятий, работающих на макулатуре, по сравнению с предприятиями, использующими первичное волокнистое сырье. Удельные капитальные затраты по созданию новых мощностей по переработке макулатуры составляют 250-350 тыс.долл.Лт суточной мощности против 400-500 тыс.долл. на 1т в сутки для предприятий, работающих, например, на сульфатной целлюлозе;- простотой создания новых небольших предприятий, в частности, из-за более легкого согласования новых проектов с надзорными органами;- повышенным спросом на бумагу и картон из вторичного волокна из-за более низкой стоимости.
Последнее обстоятельство является тем стимулом, который заставляет бумажников изготовлять продукцию из макулатуры, так как прибыль от ее использования получает не производитель картона и даже тары из него, а потребитель более дешевой тары из тестлайнера [98].
Переработка макулатуры в современной мировой индустрии производства бумажно-картонной продукции представляет самостоятельное динамично развивающееся направление. Большее внимание этому уделяется и в России. Не случайно, только в 2002 г. в нашей стране прошли две международные научно-технические конференции в Подмосковье и Санкт-Петербурге [99, 100], а в 2003г вновь в Подмосковье [101]. Это обусловлено тем, что с ростом масштабов производства и потребления бумаги и картона увеличивается и доля макулатуры, что позволяет говорить о ней, как о волокнистом сырье XXI века. Повышение доли макулатуры, вовлекаемой в производство бумаги и картона, является одной из главных современных тенденций. Ожидается, что уже к 2010 году около половины волокон для производства бумажно-картонной продукции будет регенерироваться из макулатуры. Так, по оценкам экспертов, к 2010 году производство бумаги и картона в мире вырастет с 325 до 420 млн.т, а это более210 млн.т потенциальных ресурсов вторичного волокна [102].
В нашей стране первым серьезным этапом в повышении доли использования макулатуры до 25% от выпускаемой бумажно-картонной продукции произошло в 70-х годах прошлого века. Для этого провели ряд мероприятий по увеличению сбора макулатуры, в том числе и бытовой путем выдачи за нее талонов на приобретение дефицитных в то время произведений художественной литературы. Были построены базы для сортирования макулатуры, 16 фабрик для производства массовых видов картона (в основном коробочного) из 100% макулатуры производительностью по 70 и 140 тыс.т в год и 11 предприятий для производства кровельного картона -основы производительностью по 50 и 100 тыс. т. в год с переработкой его на толь, пергамин, рубероид [103].
Мировое потребление тарного картона выросло с 44 млн.т в 1980 году до 87,1 млн.т в 1997 году, что соответствует среднегодовому темпу роста в 4,1% в год. В 1990-х годах наиболее быстро растущими рынками были азиатско-тихоокеанский регион, в котором ведущую роль играет Китай страны АСЕАН, Латинская Америка и Средний Восток. Производство бумаги и картона на основе первичного волокна сконцентрировано в
Северной Америке и Скандинавских странах. В остальных странах мира преобладает продукция на основе вторичного волокна [104].
Вместе с тем и в США, понимая важность использования макулатуры президент Клинтон в 1999 году издал указ, согласно которому минимальное содержание макулатуры в бумаге для копий при деловой переписке и других видов писчей и печатной бумаги, закупаемых федеральными агентствами, должно быть увеличено с 20 до 30%. Белый Дом утверждает, что новое постановление может спасти 500 тыс. деревьев в год [97].
В России с начала 90-х годов прошлого века начался второй всплеск интереса ЦБП к использованию вторичного сырья, главным образом, для изготовления тестлайнера и бумаги для гофрирования. Это связано с бурным ростом производства упаковки в стране, составляющие 8-15 % в год [105]. До настоящего времени ощущается нехватка отечественного тарного картона, хотя за период с 1994 по 2000 год его производство увеличилось в 3 раза и достигло 2,1 млн.т в год [106]. Столь бурный рост производства тароупаковочных видов картона доля, которых составляет до 80% от общего производства, понятно, так как картон, особенно из макулатуры по сравнению с другими упаковочными материалами (дерево, металл, кожа и др.), имеет ряд существенных преимуществ: относительную дешевизну и доступность исходного сырья, возможность получения материала с заранее заданными физико-механическими и другими потребительскими свойствами по самой производительной из известных технологий. При этом картонная тара легко утилизируется и до 80% ее используется вторично в виде макулатуры, что имеет большое ресурсосберегающее и экономическое значение [107].Среди тароупаковочных видов картона выделяют две основные группы [108-111]. К первой относятся материалы для производства гофрированного картона - картон для плоских слоев (linerboard - картон - лайнер) и бумагу для гофрирования (corrugating medium или fluting - флютинг). В европейских странах эти материалы объединяют термином containerboards - картон для
Подготовка макулатуры к отливу и изготовление лабораторных образцов картона
Перед размолом макулатуру марки «МС-6» замачивали в течении 24# часов и распускали на быстроходной мешалке.Размол указанной макулатуры проводили в лабораторном ролле с бронзовой гарнитурой при концентрации 1,5% по следующему режиму: рафинирование волокон при слабой присадке ножевого барабана в течение 5 минут, затем размол при сильной присадке до требуемой степени помола массы, контролируемой по стандартным методикам.
После размола бумажную массу разбавляли обычно до концентрацииtjt 0,5%, проклеивали катионированным клеем и изучаемыми крахмалами.Добавки в массу соединений алюминия в расчетном количестве осуществляли за 5 минут до отлива. Для удобства сопоставления получаемых результатов расход добавки везде указывается в процентах от массы а.с. волокон, считая на оксид алюминия. Требуемую величину рН создавали с помощью 1Н или 0,1Н растворов едкого натра и соляной кислоты. Контроль за величиной рН массы осуществляли на рН-метре типа «рН-340м».
Отлив образцов массой 1м 150г производили на сетке №26 налистоотливном аппарате ЛА-2, оснащенном системой замыкания водооборота, при концентрации массы 0,1%.Прессование образцов проводили на вальцовом прессе, входящем в комплект аппарата ЛОА-2, до толщины, обеспечивающей постоянство плотности образцов в каждой серии опытов. Сушку отливок осуществляли на сушильном цилиндре, нагретом до 120+5С, обычно до сухости 92%.
Перед определением показателей качества образцы картона кондиционировали согласно требованиям ГОСТ 13525-68 при относительной влажности воздуха 65+2% и температуре 20+2С в течение 24 часов. Эти же условия сохраняли во время поведения испытаний.Прочность влажных отливок (начальную влагопрочность) с влажностью 80+0,5% определяли по методу Брехта [153]. Межволоконные силы связи определяли по методу С.Н.Иванова [154].
Остальные показатели качества лабораторных образцов определяли по стандартным методам: масса картона площадью 1м , г по ГОСТ 13199-87,толщина, мм - по ГОСТ 27015-87; абсолютное сопротивление продавливанию, кПа (кгс/см2)- по ГОСТ 13525.8-79; прочность на излом при многократных перегибах в поперечном направлении, ч.д.п. - по ГОСТ 13525.2-80; разрушающие усилие при сжатии кольца в поперечном направлении, Н (кгс)- по ГОСТ 10711-87, влажность, % по ГОСТ 13525.19-87.
Степень проклейки характеризовали поверхностной впитываемостью воды по Коббу верхней стороны, (Кобб60), г/м (ГОСТ 12605-82). Для краткости при обсуждении результатов применяли термин «проклейка».
Испытуемый осадок отфильтровывали и вместе с фильтром помещали в стаканчик центрифуги. Пробы центрифугировали при 5000 об/мин в течение 5 минут, после чего фильтры с осадками переносили в бюксы, взвешивали, высушивали до постоянной массы при t=105+2C и опять взвешивали.
Предварительно определяли массу смоченного водой и отцентрифугированного по вышеуказанному режиму фильтра. B.C. осадка (в %) определяли по формуле (2.1):масса осадка после центрифугированияВ.С.= 100 (2.1)масса а.с. образца
Аналогично определяли в контрольных опытах B.C. бумажной массы для отлива образцов не содержащих соединений алюминия и крахмала.В качестве диспергирующего устройства для приготовления катионированных клеев составов на основе НПС применяли лабораторную установку с роторно-пульсационным аппаратом (РПА).
Основными элементами РПА являются ротор и статор, образующие систему коаксиально расположенных цилиндров с прорезями, что близко к устройству пульсационных мельниц, широко применяемых в ЦБП. Зона диспергирования ограничивается крышкой и корпусом аппарата с водяной рубашкой, посредством которой создается и поддерживается температура, необходимая для проведения процесса диспергирования расплава. Скорость вращения ротора регулируется автотрансформатором и фиксируется тахометром ПАТ-Зм с помощью датчика.
В соответствии с результатами исследований, приведенными в работе [155], подготовку катионированного клея на основе высокоплавких немодифицированных НПС проводили следующим образом. Рабочую зону РПА заполняли раствором алюмината натрия, нагретым до 95-98С и включали термостат с глицерином для поддержания этой температуры раствора и рабочих частей аппарата.
После этого на корпус аппарата устанавливали и закреплялиплавильник, снабженный электроподогревом, регулируемымавтотрансформатором. В плавильник заливали расплав смеси НПС, парафина и канифоли, поддерживая температуру смеси не менее 160 С.
После включения двигателя и доведения скорости вращения ротора до необходимого значения открывали клапан плавильника и медленно выпускали расплав во внутреннюю часть вращающегося ротора. Диспергирование происходит при одновременной стабилизации и катионировании частиц НПС. Полученную дисперсию выпускали в приемник.Соотношение смолы, канифоли и парафина должно быть, как 100:10:15. расход алюмината натрия 15% от взятой НПС.Температура расплава не менее 160С, температура раствора алюмината натрия в РПА не менее 95 С, окружная скорость ротора аппарата не менее 25 м/с.
В процессе дополнительных исследований [155] показана целесообразность применения алюмината натрия при изготовлении клеевой дисперсии в количестве не менее 5% от массы а.с. волокон целлюлозы.Характерным свойством свободнодисперсных систем, особенно если они разбавлены, является склонность к оседанию (всплыванию) частиц дисперсной фазы - седиментация (обратная седиментация) [156].
Как известно, скорость седиментации прямо пропорциональна квадрату радиуса частиц и силе тяжести, действующей на частицу [156]. Для ускорения анализа гравитационное поле заменяют полем центрифуги с большим ускорением.С целью оценки устойчивости клеевых составов, являющейся функцией их дисперсности, нами был использован метод
Определение электрокинетического потенциала методом микроэлектрофореза
Применяемый метод описан в работе [158] и предусматривает использование для определения - потенциала дисперсий прибора Абрамсона — Дорфмана.
Прибор состоит из стеклянной плоскопараллельной камеры с внутренними размерами 1,4 10 40мм, вставленной на шлифах в боковые отростки трехходовых кранов, которые дают возможность заполнить камеру суспензией и соединить ее с электродами. В качестве обратимых электродов использовали медные стержни, погруженные в раствор сернокислой меди.
Рабочую пробу (дисперсию клея) помещали в камеру, к которой прикладывалась постоянная разность потенциалов, равная 100 В. Сила тока изменялась с помощью миллиамперметра «М-254». Наблюдение за передвижением частиц производили через микроскоп при увеличении в 56 раз. Путь, пройденный частицами, измеряли с помощью калиброванного окулярного микрометра. Удельную электропроводимость рабочих проб определяли с помощью кондуктометра типа «ОК-102/1». Дзета-потенциал рассчитывали по формуле 2.4 :где: Q- электрокинетический потенциал, В; г— вязкость воды, Па с; и- электрофоретическая подвижность, м; Н— градиент потенциала, В/м; D- диэлектрическая постоянная, Ф/м. Если учесть, что H=J/(A%), а и=1/т, то формула (2.4) приобретает следующий вид:где: 1- путь, пройденный частицей, м;
А— площадь поперечного сечения камеры, м2; Х- удельная электропроводимость, Ом м-1; J- сила тока, А; т— время, с;Лводь.-1 Ю_3Па с; Do=8,854 10 Ф/м; D=80,4 Ф/м; А= 1,4 1(Г5 м2; 1=1,82 Ю м. Подставив все значения постоянных для данного опыта в формулу (2.5), получаем рабочую формулу:3 г крахмала тщательно перемешивают с 6 мл холодной воды, затем добавляют еще 90 мл, суспензию, перемешивая, постепенно нагревают до 85 - 90С. Полученный клейстер в горячем состоянии фильтруют через сетку №12. Со временем вязкость раствора увеличивается, поэтому хранить его более суток не следует.
В соответствии с рекомендациями работы [153] для количественного определения крахмала в картоне 5 г измельченного образца помещают в колбу емкостью 500 мл с обратным холодильником, добавляют 200 мл дистиллированной воды и 5 мл ледяной уксусной кислоты и кипятят в течение 1,5 ч. После этого содержание колбы отсасывается на воронке Бюхнера и промывается 50 мл горячей воды. К фильтрату добавляется 15 мл HCI (37%-ная) и производится кипячение в течение 30 мин. Горячий раствор нейтрализуется содой, до тех пор пока не перестанет выделятся углекислота. После охлаждения разбавляют раствор в мерной колбе до 250 мл. Этим раствором титрируют отмеренное количество Феллинговой жидкости, разбавленной до 25 мл. при титровании после добавления очередной порции вытяжки анализируемый раствор кипятят в течение 1 мин, а затем 1 каплю реакционной смеси смешивают на фарфоровой пластинке с каплей индикатора, приготовленного из смеси 1 объема 10%-ного железосинеродистого калия К3 Fe(CN)6 с 1 объемом 50%-ного раствора уксусной кислоты. Содержание крахмала в картоне рассчитывают по формуле: VF Vi - количество вытяжки, пошедшей на титрование, мл3; F — количество Феллинговой жидкости, мл; g — навеска картона. Жидкость Феллинга приготовляют смешиванием двух растворов: первый состоит из 69,3 г сернокислой меди в 1 л дистиллированной воды; второй из 346 г сегнетовой соли и 120 г NaOH, растворенных в 1 л дисстилированной воды.Оба раствора выдерживаются в течение 2 дней отдельно. Для анализа применяется свежеприготовленная смесь разных объемов этих растворов.
Значения величин сил связи в образцах находили как среднее арифметическое из 15 параллельных измерений. При определении значений показателей картона по стандартным методам количество измерений соответствовало требованиям этих ГОСТов.
При проведении параллельных измерений обычно возникают случайные ошибки, обусловленные рядом трудноконтролируемых факторов и могущие вызвать большой разброс значений экспериментальных данных. Чтобы исключить «брак», результат, значительно отличающийся от остальных измерений, подвергали проверке по критерию Стъюдента по формуле:где : у - результат измерений, вызывающий сомнения в его достоверности; у - среднеарифметическое значение измеряемого параметра; S - стандартная ошибка опыта;
To,o5 - значение (табличное) критерия Стъюдента при 5%-м уровне значимости. Проверяемый результат опыта (у) отбрасывался, если вычисленное на его основе значение критерия Стъюдента превышало или равно табличному при соответствующем числе степеней свободы. В этом случае среднеарифметическое значение параметра рассчитывалось вновь, уже без отвергнутого результата.В целях исключения ошибочных выводов о характере и силе влияния того или иного фактора на свойства картона, при проведении классического эксперимента делали критериальную оценку значимости различия между средними значениями для каждого параметра по методике, изложенной в работе [159].
Соединения алюминия и крахмала. Совместное применение и влияние на основные свойства тестлайнера
Результаты проведенных выше исследований, показывают, что соединения алюминия и добавки крахмала и систем на его основе могут в определенных условиях существенно улучшить основные свойства тестлайнера. По нашему мнению, с теоретической и практической точек зрения, представляет интерес изучить совместное влияние указанных вспомогательных веществ на прочностные и другие свойства тестлайнера.
При этом мы основывались на следующих соображениях. Сравнительный анализ полученных нами результатов экспериментов показывает, что добавки алюмината натрия при рН = 9,5 оказывает большее, чем крахмал влияние на разрушающие усилия во влажном состоянии и при сжатии кольца (т.е. на жесткость образцов). В то время, как добавки крахмала значительно лучше повышают сопротивление излому и степень проклейки образцов. Таким образом, можно ожидать, что совместное применение алюмината натрия и крахмала более благоприятно скажется на улучшении основных свойств тестлайнера, чем раздельное применение указанных добавок.
В пользу этого свидетельствует и возможность повышения прочности образцов вплоть до расхода 6% систем на основе «Аниоплюс» и «Raisabond». Можно предположить, что алюминат натрия, в качестве фиксатива, также повысит порог эффективного расхода крахмала в целях усиления прочности тестлайнера и придаст системе «крахмал — алюминат натрия» катионный характер. Кроме того, при положительных результатах следует ожидать экономического эффекта от замены части дорогого катионного крахмала на более дешевый алюминат натрия, а не наоборот как считают некоторые практики, отмечающие в качестве положительного момента сокращение расхода глинозема при применении катионного крахмала [148].
В качестве исследуемых видов крахмала использовали - окисленный и энзимный в количестве 6% от массы сухих волокон. Максимальный расход алюмината натрия также составил 6%. Требуемый рН массы при отливе равный 9,5 создавали с помощью 1Н соляной кислоты.
В водную суспензию волокна в количестве необходимом для получения отливки 150 г/м при концентрации 0,5% вводили расчетное количество исследуемого крахмала и после перемешивания в течении 5 мин. добавляли при необходимости требуемое количество алюмината натрия, перемешивали 1 мин и устанавливали рН = 9,5. Дальнейшие отлив, прессование и сушку производили аналогично предыдущим опытам.
Результаты проведенных опытов представлены в табл.3.3. и 3.4.Анализ данных, приведенных в указанных таблицах показывает, что высказанные выше соображения о благоприятном взаимовлиянии совместной добавки крахмала и алюмината натрия в слабощелочной среде на свойства образцов тестлайнера оказались вполне оправданными.
Совместная добавка как окисленного (табл. 3.3.), так и энзимного (табл. 3.4.) крахмала с алюминатом натрия позволила улучшить все изученные свойства образцов тестлайнера, по сравнению с данными по влиянию на эти свойства каждой добавки, вводимой в массу раздельно.
Исключение составило разрушающее усилие образцов во влажном состоянии, где максимум наблюдается при введении в массу 6% алюмината натрия, а добавки изученных крахмалов снижают величину этого показателя.Максимальные значения по каждому показателю (табл. 3.3. и 3.4.) равны или близки к максимальным значениям соответствующих свойств образцов полученных при добавке систем «Аниоплюс» и крахмал + «Raisabond» (рис. 3.16-3.20,3.23).
При этом различия между значениями показателей, полученными при совместной добавке алюмината натрия + окисленный крахмал и алюмината натрия + энзимный крахмал весьма незначительны.
Рассмотрение изменений по каждому конкретному свойству тестлайнера показывает, что их максимальные значения достигаются при различных соотношениях между крахмалом и алюминатом натрия. Так, максимум абсолютного сопротивления продавливанию в 600-610 кПа достигается при соотношении соответственно, окисленного и энзимного крахмала и алюмината натрия 1:1; для разрушающего усилия при сжатии кольца при соотношении 1:2; для сопротивления излому, как 2:1, для сил связи 1:1,5, а степени проклейки -2:1. Наблюдаемые закономерности вполне объяснимы результатами исследований полученными нами ранее.
В частности, было показано, что алюминат натрия оказывает более сильное влияние на разрушающее усилие при сжатии кольца образцов, а крахмал на степень проклейки. Поэтому и максимальные результаты для этих показателей достигаются при большем содержании соответствующего компонента системы добавки
Таким образом, меняя соотношение между крахмалом и алюминатом натрия можно регулировать в достаточно широких пределах прочностные и некоторые другие свойства образцов. Это весьма важно, не только для тестлайнера, но и, в перспективе, для улучшения свойств других видов бумаги и картона.
Совместное применение крахмала и соединений алюминия для улучшения свойств тестлайнера показало высокую эффективность. Однако использование этой технологии в производственных условиях несколько усложняет подготовку массы к отливу. В частности, для подготовки рабочих растворов крахмала, алюмината натрия и соляной кислоты требуются отдельные дополнительные емкости, насосы, трубопроводы и аппаратура для точной дозировки указанных растворов и автоматического постоянного контроля рН при отливе тестлайнера. При этом предложенная технология будет востребована прежде всего на небольших фабриках, выпускающих тестлайнер и имеющих устаревшее оборудование и ограниченные возможности по его модернизации, прежде всего по финансовым причинам.
Наибольшее распространение в качестве связующих добавок в производстве бумаги и картона получили катионные виды крахмала [165-167]. Основными способами получения катионного крахмала, как уже указывалось выше, является его модификация соединениями аминного характера [143]. Однако этот способ не лишен некоторых недостатков и главное, существенно повышает стоимость добавки. Поэтому постоянно ведется поиск новых способов катионирования крахмала [168-170].
Основываясь на положительных результатах влияния совместного применения соединений алюминия и крахмала на свойства тестлайнера были проведены дополнительные специальные исследования, в итоге позволившие предложить несколько новых способов получения катионированного крахмала.
