Сорбционные бумаги-основы напрямую зависят от впитывающей способности целлюлозной основы. Структура и свойства волокнистой основы определяются композиционным составом по волокну, а также количеством проклеивающих и наполняющих веществ, используемых в технологии изготовления целлюлозной композиции [1, 9, 12].
Для достижения тех или иных необходимых свойств картона пользуются следующими методами: подбором исходных волокнистых полуфабрикатов, т.е. составлением композиции бумаги и картона по виду и происхождению волокон; изменением технологических режимов одного или нескольких основных процессов бумажного производства (массного размола, отлива, сушки); введением в бумажную массу различных добавок (минеральных наполнителей, красителей, дефлокулянтов, проклеивающих и других веществ); отделкой бумаги или картона, включая операции каландрирования, крепирования, гофрирования, тиснения, армирования, покрытия синтетическими пленками и др.; обработкой поверхности бумаги или картона химикатами (поверхностная проклейка, пропитка различными составами, окраска, мелование, пластификация, лакирование, обработка минеральными реагентами) [7, 10].
Наиболее эффективным способом решения вопроса влагопрочности является проклейка в массе на бумагоделательной или картоноделательной машине, когда вещества вводятся в бумажную массу. Проклейка в массе осуществляется введением раствора проклеивающих веществ в волокнистую суспензию, находящуюся в бассейне. При этом проклеивающие вещества распределяются по всей толщине бумаги.
Для придания бумаге специфических сорбционных свойств применяются различные виды проклеивающих веществ, которые сообщают бумаге необходимую водостойкость. Наиболее широкое применение в процессах гидрофобизации находят крахмала и его модификации. Это связано как с его уникальными функциональными свойствами, так и низкой стоимостью и экологической чистотой. Кроме того, возможность различной модификации крахмала позволяет варьировать сорбционными свойствами бумаги-основы [4–6, 8].
Катионный крахмал. Положительно заряженная функциональная группа на поверхности крахмала при введении в волокнистую суспензию нейтрализует отрицательный заряд поверхности молекул целлюлозы, в результате поверхность бумаги становится нейтральной – гидрофобной. Данные модификации крахмала находят наиболее широкое применение в производстве бумаги и картона.
Анионный крахмал. Содержит отрицательно заряженные группы, которые снижают фиксацию его частиц на поверхности целлюлозы. Поэтому данная модификация крахмала преимущественно используется в качестве связующего материала.
В последнее время появляется информация об использовании различных видов комбинаций модифицирования крахмала, что позволяет дополнительно увеличить механическую прочность бумаги, экономить химикаты, повысить удержание волокна на формующей части бумагоделательной машины. Катионно-анионный крахмал. Молекулы катионного крахмала, добавленные в суспензию целлюлозной массы, могут сцепляться с анионными от природы волокнами целлюлозной массы силами электростатического притяжения и, таким образом, удерживаться во влажном волокнистом материале и оставаться в конечной бумаге или картоне [2, 3, 11, 12].
Основной целью работы являлось изу чение возможности получения бумаги-основы с заданными сорбционными свойствами при использовании в качестве основного волокнистого полуфабриката волокон вторичной целлюлозы.
Методика. При реализации экспериментов применялись стандартные и общепринятые методы оценки свойств нативных и модифицированных крахмалов: электрофоретический, микроструктурный, вискозиметрический; для определения качества получаемых образцов продукции использовали физико-механические, химические и сорбционные методы анализа. Процессы адгезии рассматривались на примере процессов получения образцов склеенного картона.
Основным направлением в решении поставленных задач было установление эффективных показателей впитываемости бумаги-основы, при которых достигается повышенная гидрофобность целлюлозного материала и его высокая адгезионная способность при создании различных видов композиционных материалов (получение склеенного картона).
В работе в качестве катионной добавки (катионита) использовался хлорид фениламмония, катион которого за счет образования связи по донорно-акцепторному механизму имеет ярко-выраженный положительный заряд.
Общая схема процесса катионирования крахмала имеет вид:
Согласно представленной схеме присоединение катионита, содержащего аммониевую группу к крахмалу, осуществляется посредством образования простой эфирной связи, в результате чего крахмал приобретает положительный заряд.
Определение изменения заряда поверхности частиц крахмала при введении катионного модификатора осуществляли по двум методикам:
– окрашивание полярными красителями;
– определение дзета-потенциала частиц коллоида методом электрофореза.
Суть методики окрашивания полярными красителями заключается в том, что в результате модификации крахмальные зерна приобретают отрицательный или положительный заряд, в результате чего они могут окрашиваться полярными красителями. В исходном природном крахмале имеются разнообразные функциональные группы, несущие заряд (-Н, -ОН, -СОН, -СООН и др.), на которых способны адсорбироваться молекулы ионных красителей. На основании полученных данных было установлено, что исходный крахмал, используемый в работе, имеет отрицательный заряд.
Методика определения дзета-потенциала методом электрофореза. Крахмальная суспензия обладает электрокинетическим зарядом. Дзета-потенциал определяли методом движущейся границы. Он основан на измерении скорости перемещения в электрическом поле границы раздела между золем и другой (боковой) жидкостью. Для этого в нижнюю часть U-образной трубки помещают окрашенный коллоидный раствор, а в верхнюю боковую часть – бес цветную жидкость, в которую погружены инертные электроды. Подключая электроды к источнику постоянного тока, наблюдем за перемещением границы раздела золь – боковая жидкость.
Согласно полученным результатам установлено, что при введении катионита массовой долей до 10 % происходит нейтрализация отрицательного поверхностного заряда частиц крахмала (достигается изоэлектрическая точка состояния). При дальнейшем введении катионита наблюдается медленная перезарядка частиц крахмала.
При определении эффективного объёма катиономодифицированного крахмала в волокнистую суспензию, необходимо помнить, что серьёзным недостатком применения катионного крахмала является ограничение его количества. Не следует допускать значительной перезарядки поверхности целлюлозы, так как это приведет к резкому снижению производительности мокрой части бумагоделательной машины. Поэтому в работе экспериментальным путем была определена «катионная потребность» исследуемой целлюлозной массы – а именно макулатуры различных марок картона и гофрокартона.
«Катионная потребность» целлюлозной массы зависит от вида и структуры волокнистого сырья, а также от рН раствора и фонового состава электролитов, так как катионный крахмал выполняет двойную роль, служит полиэлектролитом для снижения отрицательного заряда поверхности волокна и одновременно полимером-фиксатором анионных загрязнений.
Согласно полученным результатам эффективное содержание катионита (при равных объемах вводимого крахмала) находятся в пределах 12–16 % для данного вида целлюлозного волокна.
Анализ эффективности процессов адгезии образцов картона без предварительной гидрофобизации показал, что расслаивание происходит без разрушения целлюлозной поверхности, что обусловлено глубоким проникновением клея в структуру основы, вследствие чего на поверхности остаётся количество адгезива, недостаточное для композиционной устойчивости материала. Тогда как в случае расслаивания гидрофобизированных образцов наблюдается частичное разрушение целлюлозной поверхности по волокну, что указывает на более эффективное сцепление адгезива с целлюлозной основой.
Выводы
1. На основании проведенных исследований установлено влияние прочностных и сорбционных показателей бумаги-основы на ее адгезионные свойства при получении образцов склеенного картона.
2. Предложена технология химической модификации поверхности целлюлозных волокон катиономодифицированными формами крахмала с целью улучшения процесса адгезии при получении многослойных упаковочных материалов.
3. Установлено, что технология гидрофобизации бумаги-основы (в массе) катиономодифицированными крахмалами эффективна для получения упаковки с улучшенными прочностными и сорбционными свойствами.