ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЦЕССА КАНИФОЛЬНОЙ ПРОКЛЕЙКИ В ПРОИЗВОДСТВЕ БУМАГИ

§ 16.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЦЕССА КАНИФОЛЬНОЙ ПРОКЛЕЙКИ В ПРОИЗВОДСТВЕ БУМАГИ

До сего времени проклейка бумаги канифольным клеем является основной при выработке ее широкого ассортимента. Именно поэтому теория канифольной (смоляной) проклейки бумаги требует особого рассмотрения.

Канифольная проклейка бумаги была изобретена в 1807 г. немецким фабрикантом Фрицем Иллигом, который предложил растворять канифоль в едком натре, обрабатывать этим раствором водную суспензию растительных волокон, а затем, после перемешивания раствора с волокнами, вводить в бумажную массу раствор сернокислого алюминия. После подобной обработки получаемая из волокнистой массы бумага приобретала определенную степень проклейки, т. е. ее можно было использовать для письма, чернила не расплывались на ее поверхности и не проходили на противоположную сторону бумаги. Ф. Иллиг предполагал, что растворение канифоли в щелочи — чисто физический процесс, аналогичный растворению сахара в воде. Действие сернокислого алюминия, по его мнению, заключалось в нейтрализации щелочи и вытеснении из раствора канифоли, которая при этом равномерно осаждалась на волокнах в качестве проклеивающего вещества, придавая бумаге определенную степень проклейки.

В 1808 г. химики Браконно и Берцелиус показали, что канифоль — слабая кислота (смоляная или, иначе называемая, абиетиновая) состава С20Н30О2 и ее взаимодействие со щелочью происходит по реакции:

На основании этой реакции было высказано положение, что основным проклеивающим веществом при канифольной проклейке бумаги является смоля-нокислый алюминий, названный резинатом алюминия, или связанной смолой, в отличие от свободной смолы, т. е. самой канифоли С20Н30О2. Это положение и вытекающий из него вывод о необходимости проведения реакций до конца получили в дальнейшем название теории резинатов (резинаты — соли смоляной кислоты). В СССР этой теории придерживался проф. Л. П. Жере-бов.

В 1877 г. Казимир Вурстер выдвинул новую теорию проклейки бумаги, а именно теорию свободной смолы, исходя из гипотетического предположения, что в избытке сернокислого алюминия связанная смола вновь превращается в свободную смолу по схеме:

Хотя на самом деле реакция таким образом не протекает, тем не менее теория свободной смолы оказала прогрессивное влияние на дальнейшее развитие теории и практики канифольной проклейки бумаги.

Действительно, с точки зрения теории свободной смолы, согласно которой основным проклеивающим веществом служит свободная смола, нет смысла применять щелочь в количестве, необходимом для полной нейтрализации канифоли, а затем использовать сернокислый алюминий для полного перевода. смолянокислого натрия в связанную смолу. Рекомендовалось изготовлять канифольный клей не полностью нейтрализованным, т. е. не бурый клей, получивший такое название по своему цвету, а клей с известным содержанием свободной смолы, так называемый белый клей. С этой целью щелочь использовалась полностью и оставшаяся в непрореагированном виде свободная смола во взвешенном состоянии находилась вместе с растворенным смоляно-кислым натрием. Таким образом, бурый клей — это истинный раствор, а белый клей — дисперсия, в которой твердой фазой является свободная смола.

Первоначально предполагали, что канифольный клей осаждается на волокнах бумажной массы и в процессе сушки бумаги плавится, растекается по поверхности волокон, образуя сплошную пленку, через которую вода или чернила не могут пройти. Эта теория пленки оказалась ошибочной. Расчет показывает, что количество канифоли, используемой для проклейки бумаги, недостаточно для покрытия волокон сплошным слоем пленки даже мономолекулярной толщины. Более того, различными методами оптических исследований, включая использование электронного микроскопа, установлено, что пленка канифольного клея на волокнах отсутствует, а клеевые частицы в виде точечных включений находятся на поверхности волокон и между ними.

Естественно, возникают вопросы: каким образом отдельные мельчайшие гидрофобные преграды без наличия сплошной пленки клеевого осадка обеспечивают чернило- и водонепроницаемость бумаги? Каким образом капля чернил, оказавшись в промежутках между частицами канифольного клея, все же не проходит в толщу клееной бумаги?

Лучший ответ на эти вопросы дает известный из физики опыт, при котором показана возможность носить воду в решете. Действительно, если решето покрыть изнутри парафином, не закрывая сплошь отверстий в сите, через которые может свободно проходить иголка, то налитая небольшим слоем в решето вода не пройдет через отверстия, так как она под влиянием сил поверхностного натяжения будет образовывать

в ячейках решета тонкие пленки» которые и удерживают воду (рис. 18). Таким образом, решето остается «дырявым», однако налитая в него вода не проливается. Этот пример показывает, что для создания водонепроницаемости не обязательно наличие сплошной» не пропускающей воду пленки. В приведенном примере парафин, как плохо смачивающееся водой (гидрофобное) вещество, создает такие преграды, которые обеспечили непрохождение воды сквозь ячейки сита.

Тот факт, что для придания водонепроницаемости не обязательно наличие сплошной плёнки, известен не только в бумажной промышленности, но и в производстве различного рода прорезиненных тканей, отличающихся воздухопроницаемостью и вместе с тем водонепроницаемых.

Из анализа приведенного выше примера о решете, проволоки которого покрыты парафином, можно сделать выводы, имеющие практическое значение для проклейки бумаги: 1) очевидно, что непроницаемость бумаги по отношению к воде будет тем выше, чем большей гидрофобностью будут отличаться клеевые частицы; 2) необходимо, чтобы клеевые частицы были равномерно распределены в бумажном полотне, т. е. необходимо обеспечить хорошее перемешивание растительных волокон с проклеивающим веществом; 3) эффект проклейки будет тем выше, чем более дисперсны клеевые частицы, т. е. чем больше гидрофобных преград может быть получено из единицы массы проклеивающего вещества и чем больше будет кроющая способность клеевых частиц.

Для объяснения механизма осаждения частиц канифольного клея на волокнах целлюлозы получила распространение так называемая электростатическая теория проклейки, согласно которой отрицательно заряженные частицы канифольного клея можно в определенных условиях осадить на отрицательно заряженных в воде волокнах целлюлозы в результате перезарядки клеевого осадка действием положительно заряженных ионов алюминия из сульфата алюминия. Иначе говоря, полная перезарядка клеевого осадка не обязательна, так как достаточно лишь несколько снизить отрицательные заряды частиц клеевого осадка и целлюлозы, чтобы силы их

взаимного притяжения (силы ван дер Ваальса) преобладали над электрическими силами отталкивания. Электростатическая теория проклейки не встречает возражений и в настоящее время. Однако только с позиции этой теории нельзя объяснить все многообразие явлений, происходящих при проклейке бумаги.

Рис. 18. Схема действия сил поверхностного натяжения воды в ячейках решета с проволоками, покрытыми парафином

Наиболее полно освещает процесс проклейки бумаги современная коллоидно-химическая теория проклейки. Согласно этой теории процесс осаждения частиц канифольного клея на волокнах целлюлозы рассматривается как процесс коагуляции клеевых частиц под влиянием электролита. При этом не безразличен вид использованного электролита. Из коллоидной химии известно, что коагуляция может протекать либо по механизму гомокоагуляции, сопровождаемому образованием агрегатов из частиц твердой фазы с выпадением их в осадок, либо по механизму гетерокоагуляции, когда коагулируемые частицы не выпадают в осадок, а в нашем случае адсорбируются на волокнах целлюлозы. Если бы для коагуляции была использована кислота (например, серная или соляная), то наблюдалась бы гомокоагуляция частиц канифольного клея. При использовании же в качестве электролита сернокислого алюминия, учитывая специфическое действие положительно заряженных ионов алюминия, происходит желательный нам процесс гетерокоагуляции.

Это представление о видах возможной коагуляции частиц • канифольного клея дает дополнительную информацию о процессе проклейки бумаги. Например, общеизвестные факты ухудшения степени проклейки бумаги, изготовленной летом при наличии теплой производственной воды и повышении при этом расхода клея, объясняются гомокоагуляцией частиц канифольного клея под влиянием повышенной температуры производственной воды. Агломерация частиц ведь может происходить не только под действием электролита, но и под влиянием повышения температуры коллоидной системы.

Выше было указано, что белый клей является дисперсией, в которой частицы свободной смолы находятся во взвешенном состоянии, а смолянокислый натрий — в растворе. С точки зрения коллоидно-химической теории проклейки причиной стабильности дисперсии белого клея является наличие сольватной оболочки вокруг частиц свободной смолы из адсорбированных молекул смолянокислого натрия, способных к диссоциации. Эти молекулы ориентируются своим смоляным остатком (анионом) к частице свободной смолы, а ионом натрия (катионом) к воде. В результате этого частицы свободной смолы приобретают отрицательный заряд, отталкиваются друг от друга и не слипаются между собой при тепловом движении.

Чем более диспергированы частицы свободной смолы, тем устойчивее дисперсия и тем большим может быть содержание свободной смолы в дисперсии. При ручном размешивании дисперсии получить ее в достаточно устойчивом состоянии нельзя, если содержание в ней свободной смолы превышает 15—20%. Если же для диспергирования частиц свободной смолы применить паровой инжектор, то содержание свободной смолы в клее может быть повышено до 40 %. Смолянокислого натрия, как стабилизатора клеевой дисперсии, практически уже становится недостаточно для дальнейшего повышения в дисперсии содержания свободной смолы, и тогда необходимо в нее вводить специальный защитный коллоид. На этом принципе основано приготовление клея с высоким содержанием свободной смолы (до 90%), получившего в СССР название высокосмоляного клея.

Гетерокоагуляция частиц канифольного клея во многом определяется адсорбционной способностью волокон целлюлозы. С повышением в технической целлюлозе содержания гемицеллюлоз адсорбционная способность целлюлозы возрастает. Именно поэтому виды целлюлозы, содержащие повышенное количество гемицеллюлоз, проклеиваются при прочих равных условиях лучше и при меньшем расходе канифольного клея.

Лигнин, содержащийся в сульфитной целлюлозе (лигно-сульфонат), ухудшает проклейку бумаги, тогда как щелочной лигнин, содержащийся в сульфатной целлюлозе, благоприятствует проклейке. Поэтому делигнификация сульфатной целлюлозы приводит к ухудшению проклейки бумаги, а сульфитной целлюлозы — к ее улучшению. Именно этим объясняется общеизвестный факт, что беленая сульфитная целлюлоза проклеивается лучше, чем небеленая, а беленая сульфатная целлюлоза хуже, чем небеленая.

С учетом вышеизложенного становится понятным порядок волокнистых материалов по степени ухудшения их способности проклеиваться: сульфатная небеленая целлюлоза — сульфатная беленая целлюлоза — древесная масса — сульфитная беленая целлюлоза — облагороженная целлюлоза — сульфитная небеленая целлюлоза — тряпичная полумасса. Последняя, практически лишенная гемицеллюлоз и обладающая слабой адсорбционной способностью, наиболее трудно проклеивается канифольным клеем.

К сказанному следует добавить, что гемицеллюлозы способствуют пластификации волокон и их фибриллированию при размоле и, следовательно, получению более сомкнутого листа бумаги с меньшей пористостью и поэтому лучшим удержанием частиц канифольного клея. Вследствие этого с повышением степени помола бумажной массы степень проклейки бумаги возрастает. Здесь следует, однако, отметить, что движение воды и чернил через толщу бумаги происходит не только по порам бумажного листа, но и по внутренним каналам волокон. С повышением степени помола массы и вследствие этого с уплотнением листа движение влаги по порам уменьшается, а по внутренним каналам волокон увеличивается из-за повышения контактов между ними. В данном случае преобладает эффект снижения пористости бумаги и увеличения степени ее проклейки. В случае же сильного уплотнения бумаги в результате ее каландрирования и значительного уменьшения при этом ее толщины степень проклейки бумаги существенно снижается (на 20—70 %). Она снижается также с повышением содержания в бумаге минерального наполнителя, частицы которого разъединяют волокна и увеличивают пористость бумаги.

Для качественного (но не количественного) суждения о скорости dl / dt проникновения жидкости в структуру бумаги, проклеенной канифольным клеем, условно пользуются формулой, принятой в физике капиллярных явлений для движения жидкости через систему капилляров при гидростатическом давлении жидкости, равном нулю.

Условность применения этой формулы в данном случае связана с тем, что формула предназначена для рассмотрения движения жидкости лишь по порам бумаги и не предусматривает движения жидкости внутри волокна. К тому же формула выведена для системы с одинаковыми размерами капилляров. В бумаге же капилляры имеют различные длину и диаметр, который изменяется по величине даже для одного и того же капилляра. Таким образом, в формуле (6) г представляет собой усредненный радиус капилляров. Нельзя пользоваться указанной формулой и для определения скорости движения чернил в толщу бумаги, так как чернила представляют собой не истинный, а коллоидный раствор. С учетом указанных ограничений формула .позволяет все же объяснить влияние проклейки на некоторые свойства бумаги [20, с. 57—611-

Современная теория канифольной проклейки объясняет и роль температурного режима сушки клееной бумаги. Для получения достаточно высокой степени проклейки бумаги температура сушильной поверхности в начале процесса сушки должна быть невысокой, так как высокая температура влажной бумаги влечет за собой повышенное образование паров воды, разрыхляющих структуру бумаги, и увеличивает ее пористость, что и ведет к ухудшению степени проклейки бумаги. Во второй же половине сушильного процесса температура сушки должна быть повышенной, так как при этом увеличивается гидрофобность клеевого осадка и одновременно снижается гидрофильность самих волокон, что ведет к повышению степени проклейки бумаги. Чем меньше в клее свободной смолы (т. е.

чем больше содержание резината натрия), тем более высокой должна быть температура сушки во второй половине сушильного процесса. Это объясняется тем, что резинат алюминия для гидрофобизации клеевого осадка требует более высокой температуры, чем свободная смола.

О теории процесса проклейки бумаги можно прочесть дополнительно в книгах [5, с. 148—157; 7, с. 5—9; 24, с. 13—57].

содержание .. 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 ..