Применение композитной системы тальк–крахмал в поверхностном проклеивании гофрированной основной бумаги.

Аннотация: В настоящем исследовании основное внимание уделено применению композитной системы тальк–крахмал при поверхностном проклеивании гофрированной основной бумаги. Тальк используется для замены определённой доли поверхностного проклеивающего крахмала при обработке гофрированной основной бумаги. Результаты показывают, что при соотношении 10% талька, 75% поверхностного проклеивающего крахмала и 15% фиксированного заменителя крахмала (все указанные доли относятся к общему количеству поверхностного проклеивающего агента), после проклеивания (расход проклеивающего агента — 6 г/м²) поперечный индекс сопротивления раздавливанию кольцом составляет 5,30 Н·м/г, а продольный — 7,55 Н·м/г; поперечный индекс прочности на растяжение достигает 46,2 Н·м/г, а продольный — 95,9 Н·м/г; поперечная стойкость к складыванию — 11 циклов, а продольная — 35 циклов.

Морфология талькового минерального волокна находится между морфологией растительных волокон и традиционного наполнителя — карбоната кальция; по своим свойствам оно сопоставимо с тонкими растительными волокнами, обладая высоким соотношением длины к диаметру, хорошей термической и химической стабильностью; при этом оно характеризуется высокой белизной, что позволяет не только использовать его в качестве традиционного наполнителя для бумаги, но и частично заменять им растительные волокна, а также взаимно переплетаться с ними, формируя новую сетчатую структуру «растительное волокно — минеральное волокно».

В настоящее время в бумажной промышленности для повышения прочности бумаги на раздавливание по кольцу обычно применяют биоразлагаемый крахмал в процессе поверхностного прослоечного пропитывания. Однако данный метод имеет следующие недостатки: 1) крахмал, будучи основным компонентом пищевых продуктов, является дорогостоящим сырьём; 2) при использовании макулатуры увеличивается нагрузка на систему очистки сточных вод (избыточное содержание анионных загрязнений), что требует добавления дорогостоящих реагентов для улавливания анионных примесей. Поэтому разработка новых типов средств поверхностного прослоечного пропитывания для бумаги является настоятельной задачей. В данном эксперименте в качестве средства поверхностного прослоечного пропитывания для гофрированной основной бумаги используется тальк, и анализируется его влияние на прочность гофрированной основной бумаги на раздавливание по кольцу, на растяжение и на другие показатели.

Эксперимент

1.1 Экспериментальные материалы

Тальк: структурная формула — Ca3Si3O9, химический состав: содержание SiO2 — 40–50%, содержание CaO — 45–50%; поставщик — компания «Дайе Цзиньпэн», производитель фрикционных материалов.

Субститут крахмала: поставляется определённым заводом по производству добавок в провинции Шаньдун.

Поверхностный клейстер из крахмала: поставляется заводом модифицированного крахмала «Цинчжоу Чэньминь».

1.2 Экспериментальные приборы

Точный электрический мешалка JJ-1, завод экспериментальных аналитических приборов «Чанчжоу Жунгуань»; водяная баня с постоянной температурой типа HHS, ООО «Тяньцзиньская компания по производству экспериментальных приборов Северного Китая»; электрическая сушильная печь типа 202-1, завод аэрокосмических приборов «Хуанхуа»; прибор для измерения массы поглощённой влаги на поверхности бумаги ZBK-100, ООО «Чанчунь Юнсинь Инструмент»; прибор для определения прочности на сжатие кольцевого раздавливания TTM-500A, ООО «Чанчунь Юнсинь Исследовательский прибор для бумажной промышленности»; компьютеризированная машина для испытания на растяжение ZYD-3, ООО «Чанчунь Юнсинь Инструмент»; прибор для определения устойчивости бумаги к складыванию KCC101, завод малых испытательных машин «Чанчунь»; автоматический наноситель покрытий типа ST-1-260, учебный центр факультета механики и электротехники Шэньсийского университета науки и технологии.

2 Экспериментальные методы

2.1 Приготовление композитного размерующего раствора на основе талька и крахмала

Точно взвесить поверхностный размерующий крахмал, тальк и заменитель крахмала в соответствующих пропорциях, равномерно смешать эти три компонента, затем добавить необходимое количество деионизированной воды для получения однородного геля с массовой долей 5%. Включить магнитную мешалку с водяной баней для нагрева, поддерживать скорость мешалки на уровне 100 об/мин, выдерживать при температуре 90 °C в течение 30 минут и после завершения желатинизации слить полученный продукт для последующего использования.

2.2 Поверхностное проклеивание

С помощью автоматического проклеивателя равномерно нанесите самостоятельно приготовленный проклеивающий раствор на основе талька и крахмала на гофрированную основу бумаги, обеспечив расход проклейки 6 г/м², после чего проведите сушку и обработку при постоянной температуре и влажности в течение 24 часов для выравнивания влажности.

2.3 Измерение эффективности

Согласно ГБ/Т 2679.8–1995, для определения прочности на сжатие кольцевого раздавливания гофрированной основной бумаги используется прибор для измерения этой характеристики; согласно ГБ/Т 453–1989 — для определения прочности на растяжение гофрированной основной бумаги применяется горизонтальный испытательный станок на растяжение; согласно ГБ/Т 457–1979 — для определения стойкости к складыванию гофрированной основной бумаги используется прибор для измерения стойкости к складыванию; согласно ГБ/Т 1540–2002 — для оценки водостойкости гофрированной основной бумаги применяется прибор для измерения массы впитываемого слоя на поверхности.

3 Результаты и обсуждение

3.1 Сканирующая электронная микроскопия и инфракрасный спектральный анализ

Как видно, тальк имеет иглообразную и волокнистую структуру: длина частиц составляет 100–300 мкм, а соотношение длины к диаметру — около 30, что сопоставимо с тонкими растительными волокнами. Благодаря высокому соотношению длины к диаметру тальк эффективно взаимодействует с волокнами, оставаясь на поверхности бумаги.

При 3462 см⁻¹ наблюдается широкий и интенсивный пик поглощения, соответствующий симметричному и асимметричному колебаниям кристаллической воды. При 2409 см⁻¹ и 1622 см⁻¹ обнаружены пики поглощения, соответствующие вибрациям изгиба кристаллической воды, что свидетельствует о наличии в данном продукте значительного количества кристаллической воды. Пики поглощения при 1104 см⁻¹ и 988 см⁻¹ соответствуют колебаниям и вращениям SO₂²⁻, а пик поглощения при 613 см⁻¹ — связи Fe—O; таким образом, компонент заменителя крахмала предварительно идентифицирован как сульфат железа(II). Стандартный инфракрасный спектр поглощения сульфата железа(II) представлен на рис. 3, и пики поглощения заменителя крахмала совпадают с ним, что позволяет заключить, что компонентом заменителя крахмала является сульфат железа(II), который может использоваться в бумажной промышленности в качестве размерующего вещества для повышения водостойкости и водонепроницаемости бумаги, эффективно устраняя проблему снижения водостойкости, вызванную отсутствием добавки AKD, одновременно сокращая затраты на размерование.

3.2 Влияние количества талька на прочность гофрированной основной бумаги при сжатии в кольцевом испытании.

Влияние дозировки талька на прочность гофрированной основной бумаги на раздавливание по кольцевому методу. По мере увеличения количества талька поперечная прочность гофрированной основной бумаги на раздавливание по кольцевому методу демонстрирует медленную тенденцию к росту. При дозировке талька менее 15% поперечная прочность на раздавливание пропорциональна его дозировке; при превышении 15% поперечная прочность начинает снижаться. При дозировке талька 15% показатель поперечной прочности на раздавливание по кольцевому методу увеличивается с 3,75 Н·м/г до 5,96 Н·м/г, что соответствует росту на 58,7%; продольная прочность на раздавливание также демонстрирует быстрый рост с увеличением дозировки талька, однако при достижении дозировки 10% продольная прочность начинает медленно снижаться. При дозировке талька 10% показатель продольной прочности на раздавливание по кольцевому методу возрастает с 4,85 Н·м/г до 7,55 Н·м/г, что соответствует росту на 55,7%.

Влияние дозировки талька на прочность гофрированной основной бумаги на раздавливание по кольцевому методу. Комплексный анализ кривых прочности на раздавливание по кольцевому методу в продольном и поперечном направлениях показывает, что после добавления талька прочность бумаги на раздавливание по кольцевому методу значительно повышается. После желирования талька крахмалом и заменителями крахмала часть его проникает в структуру бумаги вместе с пропиточным раствором, а часть остаётся на её поверхности; после высыхания это образует на поверхности бумаги поддерживающий слой, совместно с крахмалом. Поскольку минеральные волокна обладают жёсткостью и относительно высокой прочностью, они в целом усиливают прочность бумаги на раздавливание по кольцевому методу. Однако при дозировке талька свыше 10% улучшение этой характеристики уже не столь выражено, поскольку мелкие фракции минеральных волокон, содержащиеся в тальке, нарушают физическое переплетение между волокнами бумаги, частично разрушая водородные связи между ними, что неблагоприятно сказывается на повышении прочности гофрированной основной бумаги на раздавливание по кольцевому методу.

3.3 Влияние дозировки талька на прочность на разрыв гофрированной базовой бумаги.

Влияние содержания талька на прочность на разрыв гофрированной основной бумаги. По мере дальнейшего увеличения содержания талька как продольный, так и поперечный показатели прочности на разрыв гофрированной основной бумаги демонстрируют постепенный рост, достигая максимального значения при содержании талька 10%. Дальнейшее повышение содержания талька приводит к снижению этих показателей. При содержании талька 10% продольный показатель прочности на разрыв возрастает с 75,4 Н·м/г до 95,9 Н·м/г, а поперечный — с 32,4 Н·м/г до 46,2 Н·м/г, что соответствует росту на 27,1% и 42,5% соответственно.

Влияние дозировки талька на прочность на разрыв гофрированной основной бумаги. Наиболее важными факторами, влияющими на прочность на разрыв бумаги, являются сила связывания между волокнами и прочность самих волокон. Основная причина увеличения прочности на разрыв гофрированной основной бумаги, показанная на рисунке 5, заключается в том, что крахмал образует на поверхности бумаги плотную крахмальную пленку, а тальк, обладая жёсткостью, также способствует повышению прочности на разрыв. При превышении дозировки талька 10% улучшение прочности на разрыв бумаги уже не является значительным, поскольку некоторые мелкие компоненты талька нарушают целостность крахмальной пленки, воздействуя на водородные связи и физическое переплетение между крахмалом и волокнами и частично нейтрализуя предыдущее повышение прочности на разрыв.

3.4 Влияние дозировки талька на усталость на изгиб гофрированной базовой бумаги.

Влияние содержания талька на устойчивость к сгибанию гофрированной основной бумаги. По мере увеличения содержания талька продольная устойчивость к сгибанию гофрированной основной бумаги резко возрастает, достигая максимального значения при содержании талька 10% — с 10 до 35 циклов, что соответствует росту на 250%. В дальнейшем, по мере дальнейшего повышения содержания талька, эта характеристика быстро снижается, но остаётся выше, чем у гофрированной основной бумаги без добавления талька. При увеличении содержания талька поперечная устойчивость к сгибанию постепенно повышается, достигая максимума при содержании талька 10% — с 4 до 11 циклов, что соответствует росту на 175%. Затем, по мере дальнейшего увеличения содержания талька, она также демонстрирует тенденцию к снижению.

По сравнению с прочностью на растяжение, устойчивость бумаги к сгибанию в большей степени зависит от длины самих волокон. После добавления талька устойчивость бумаги к сгибанию значительно повышается. Это объясняется тем, что тальк, введённый в структуру крахмального плёночного слоя, образует на поверхности бумаги поддерживающий слой, который и является основной причиной увеличения устойчивости гофрированной основной бумаги к сгибанию. Однако при содержании талька свыше 10% некоторые мелкодисперсные компоненты талька нарушают физическое переплетение между крахмальным плёночным слоем и волокнами, а также разрывают водородные связи между волокнами, что приводит к определённому снижению устойчивости гофрированной основной бумаги к сгибанию.

3.5 Влияние дозировки талька на водостойкость гофрированной основной бумаги.

Влияние дозировки талька на водостойкость гофрированной основной бумаги. Чем ниже значение по методу Кобба, тем лучше водостойкость. Как показано на рис. 7, с увеличением дозировки талька водостойкость гофрированной основной бумаги непрерывно снижается, поскольку тальк частично разрушает размерную плёнку, образованную крахмалом и его заменителями на поверхности бумаги; при этом чем больше добавляется талька, тем хуже становится водостойкость бумаги.

4 Conclusion

Используя тальк для частичной замены поверхностного аппретирующего крахмала и совмещая его с некоторыми заменителями крахмала при приготовлении аппретирующего раствора, анализируется влияние талька на свойства гофрированной основной бумаги.

4.1 При дозировке талька 10%, содержании поверхностного проклеивающего крахмала — 75% и заменителей крахмала — 15% (все относительно поверхностного проклеивающего агента) при массе проклейки 6 г/м² по сравнению с образцом бумаги без добавления талька продольная прочность на раздавливание в кольцевой пробе увеличивается на 55,7%, поперечная прочность на раздавливание в кольцевой пробе — на 41,2%; продольная прочность на растяжение увеличивается на 27,1%, поперечная прочность на растяжение — на 42,5%; продольная стойкость к сгибанию увеличивается на 250%, а поперечная стойкость к сгибанию — на 175%.

4.2 Добавление крахмала и его заменителей придаёт гофрированной базовой бумаге определённую водостойкость, однако её водостойкость снижается по мере увеличения дозировки талька.