автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Получение катионно-анионного полиакриламидного связующего и повышение механических свойств макулатурного тарного картона

На правах рукописи

КОЖЕВНИКОВ Сергей Юрьевич

ПОЛУЧЕНИЕ КАТИОННО-АНИОННОГО ПОЛИАКРИЛАМИДНОГО СВЯЗУЮЩЕГО И ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАКУЛАТУРНОГО ТАРНОГО КАРТОНА

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 МАЙ ¿013 005058073

Архангельск - 2013

005058073

Работа выполнена на кафедре технологии целлюлозно-бумажного производства федерального государственного автономного образовательного

учреждения высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» и в ООО «СКИФ Спешиал Кемикалз»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Дубовый Владимир Климентьевич

Официальные оппоненты: Вураско Алеся Валерьевна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой ХД и ТЦБП федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный Лесотехнический университет»

Чухчин Дмитрий Германович, кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры биотехнологии ФГАОУ ВПО «САФУ имени М.В. Ломоносова» Ведущая организация: ОАО «Всероссийский научно- исследовательский институт целлюлозно-бумажной промышленности», (ОАО ВНИИБ)

Защита состоится «17» мая 2013 года в «13» часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.02 при ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» по адресу: 163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17. ауд. 1220

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Автореферат разослан « \2_» апреля 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

к.т.н., доцент Т.Э. Скребец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Производство тароупаковочных видов бумаги для упаковки пищевых и промышленных товаров является приоритетным направлением в современных экономиках ведущих стран. Как сырье для получения тары, бумага и картон должны обладать высокими показателями механической прочности. Этому критерию отвечают материалы из первичного волокна, но бумажно-картонные материалы из макулатуры по прочности значительно им уступают. Поэтому повышение механической прочности тароупаковочных материалов из макулатурного волокна постоянно было и остается актуальной проблемой. Перспективным путем решения проблемы повышения механической прочности бумаги для гофрирования и картона для плоских слоев гофрированного картона остается создание новых эффективных связующих химических средств и разработка технологий для их рационального применения.

Химические средства, в силу их эффективного действия, при сравнительной простоте применения и высокой экономичности, стали неотъемлемым фактором успешного решения проблемы механической прочности макулатурного тарного картона. Поэтому, научные работы в области получения новых высокоэффективных связующих и технологий их применения для повышения физико-механических свойств тарного картона остаются актуальными. Настоящая диссертационная работа является актуальной, так как посвящена перспективной теме упрочнения тарного картона.

Цель и задачи диссертационного исследования. Цель диссертационного исследования - это получение синтетического катионно-анионного полиакриламидного связующего и применение его для повышения механических свойств тарного картона в сухом состоянии.

Для достижения цели диссертации были поставлены и решены задачи:

1. Дать обоснование химического состава катионно-анионного полиакриламидного связующего.

2. Разработать рецептуру и режим получения синтетического связующего.

3. Испытать режим получения связующего в опытно-промышленных условиях и получить товарные продукты.

4. Исследовать свойства полученного связующего.

5. Исследовать влияния связующего на свойства массы из макулатуры МС-5Б при применении самостоятельно и с катионными функциональными химикатами.

6. Совершенствовать технологию повышения физико-механических свойств тарного картона из макулатуры с применением связующих.

7. Провести опытно-промышленные испытания упрочняющей эффективности связующего в технологии тарного картона из макулатуры.

Научная новизна. В диссертации получены следующие новые данные:

- впервые проведены исследования по получению синтетического связующего с заданными свойствами на основе мономеров акриламида,

диметилдиаллиламмония хлорида и итаконовой кислоты, изучены его свойства и закономерности влияния на качество макулатурной массы и тарного картона;

- установлены пределы значений электрического потенциала связующего, 70-80 мВ, и его катионной потребности, 3-5 мг-экв./л, при рН бумажной массы 6,5-7,5;

- показано, что электрокинетический потенциал массы из вторичного волокна увеличивается, по мере повышения степени помола; удельное

ичение (¿- потенциала при размоле волокна составляет (-)1,63 мВ на 1

- получена зависимость электрокинетического потенциала массы из вторичного волокна от удельного расхода связующего;

- установлено, что лучшее качество подсеточной воды при изготовлении макулатурного тарного картона достигается при содержании в связующем катионных и анионных групп, соответственно, 12 и 2% от общей мольной массы мономеров.;

- показано, что совместное применение в массе из вторичного волокна связующего, фиксатора анионных частиц и сульфата алюминия улучшает обезвоживание бумажной массы, снижает содержание взвешенных частиц и концентрацию крахмала.

Практическая ценность. Для практического использования ценными являются:

- синтетические катионно-анионное полиакриламидные связующие «Ультрарез ББ», которые позволяют решать проблему повышения механических свойств тарного картона из макулатуры в сухом состоянии;

- технология применения связующих «Ультрарез ББ» для повышения механических свойств тарного картона из макулатуры;

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования обсуждались и получили положительную оценку на научных и научно-технических конференциях «Химические процессы современной технологии ЦБП». С.-Пб., 2010; «Физикохимия растительных полимеров». Архангельск, 2011. «Современное оборудование и технологии изготовления бумажно-картонной продукции из макулатурного сырья. Производство гофрокартона и изготовление тары». Караваево, 2012.

Опытно-промышленные испытания и технико-экономическая оценка. Опытно-промышленные испытания технологии с использованием катионно-анионной полиакриламидной смолы проведены на предприятиях: ЗАО «Ярославская бумага», ООО «Сухонский ЦБК», ООО «Окулов-ская бумажная фабрика» (акты прилагаются). Испытания подтвердили упрочняющую эффективность связующего «Ультрарез ОБ», а внедрение технологии ее применения за 2009-2011 г. в ЗАО «Ярославская бумага» дала экономический эффект 14,28 млн. руб. (акт о внедрении прилагается).

Обоснованность и достоверность результатов и выводов. Обоснованность и достоверность результатов работы и выводов по работе базируется на применении в исследованиях современных методов, методик,

приборов и оборудования, а также использования общепринятых и стандартных методов проведения экспериментальных работ с обработкой данных методами математической статистики; выполнении необходимого массива исследований; использовании аккредитованных лабораторий и поверенных приборов и оборудования.

Выводы по диссертации экспериментально подтверждены.

Личный вклад. Автором обоснованы химический состав, рецептура и основные параметры синтеза связующего. Выполнены экспериментальные исследования, обработаны результаты и объяснены полученные данные, сформулированы положения научной новизны, практической значимости и общие выводы. Принимал участие в опытно-промышленных испытаниях эффективности связующих на предприятиях.

Публикации. По теме диссертации опубликовано в 8 научных трудов, в том числе в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России - 3, соавторство в монографии и в материалах конференций - 4.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора литературы, методической части, экспериментальной части, состоящей из 6 разделов, общих выводов и 4 приложений. Диссертация изложена на 152 страницах машинописного текста, включая 21 таблицу, 29 рисунков и 24 страницы приложений. Библиография содержит 145 наименований.

Основные научные положения и результаты диссертационной работы, выносимые автором на защиту:

- экспериментальное обоснование химического состава катионно-анионного полиакриламидного связующего;

- рецептура и режим получения связующего;

- свойства промышленного связующего «Ультрарез DS 150» и данные о влиянии его на свойства массы из макулатуры;

- исследования эффективности влияния на свойства макулатурной массы и качество подсеточной воды совместного применения связующего «Ультрарез DS 150», флоккулянта и фиксатора;

- исследования эффективности влияния связующего на физико-механические свойства макулатурного тарного картона;

- результаты опытно-промышленных испытаний влияния связующего «Ультрарез DS 150» на физико-механические свойства макулатурного тарного картона;

- технологические решения, принятые для совершенствования производства тарного картона из макулатурного сырья, с целью повышения физико-механических показателей совместным применением связующего «Ультрарез DS 150», флоккулянта и фиксатора.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение. Дан анализ состояния проблемы механических свойств тарного картона из макулатуры и обоснована актуальность темы диссерта-

ции, сформулированы цель и задачи работы, а также изложены основные положения, выносимые на защиту.

Аналитический обзор литературы. Углубленный анализ библиографических источников по проблеме механических свойств тарного картона, приведенный в данном разделе, дает основное представление о теоретических и практических достижениях в области переработки макулатуры; раскрывает роль химических функциональных средств для управления процессами технологии, качеством продукции и эффективностью производства в целом. Дана критическая оценка теоретическим положениям и практическим разработкам в области упрочнения тарного картона химическими полимерными средствами. На основании выводов, сформулирована цель диссертации и решаемые задачи.

Методики эксперимента. Охарактеризованы типовые методы и методики проведения экспериментов, приводятся данные об объектах исследований и методики определения качества тарного картона.

Экспериментальная часть. Состоит из 6 разделов:

1. Обоснование химического состава катионно-анионного поли-акриламидного связующего. Обоснование выбора химического состава связующего. В обоснование выбора химического состава синтетического связующего положены свойства, которые оно должно иметь для эффективного взаимодействия с компонентами бумажной массы из макулатуры МС-5Б:

а) полная растворимость в воде;

б) амфотерность - проявление катионных свойств и анионных свойств;

в) физико-химическая и химическая активность в гетерогенных системах «волокно-вода» при рН 6,5-7,5;

г) способность взаимодействовать с анионактивной бумажной массой и возможностью установления и поддержания катионной потребности массы в пределах (-) 50-100 мВ;

д) возможность создания марок связующего с различным по знаку зарядом для использования с анионной бумажной массой в интервале рН 6,5-7,5.

Химический состав катионно-анионного полиакриламидного связующего. Для получения более совершенного полимерного связующего в качестве прототипа был выбран полиакриламид. Анализируя положительные и отрицательные свойства полиакриламидов (праестолов), автор пришел к выводу о целесообразности получения полимера, сочетающего кати-онные и анионные свойства. Для его получения выбрали мономеры: акри-ламид (А), диаллилдиметиламмония хлорид (ДАДМАХ), итаконовая кислота (ИК).

2. Получение катионно-анионного полиакриламидного связующего. Основой химического процесса получения связующего является реакция полимеризации с участием инициаторов полимеризации, протекающая по определенному режиму. Главным звеном макромолекулы являются мономерные остатки акриламида, в которую сополимеризованы остатки мономеров ДАДМАХ (с положительно заряженными группами) и итако-

новой кислоты, несущей отрицательно заряженные группы. Получаемый продукт является целевым продуктом с заданным соотношением катион-ных и анионных групп. Структурные схемы мономерных остатков в сополимере показаны на рисунке 1.

Г - СН, - СН -1 СНг СОСГ Н+

I Ulj-C^H J„ i-CH-CHjH» I

сн-

CONHj [ - ^ - CH2 -] r

СНг = СН —СН2 (СН3)2 СОО-Н*

«Д» «А» «ИК»

Рисунок 1. Структура звеньев катионно-анионного полиакриламидного сополимера: Д- диаллилдиметиламмония; А- акриламида; ИК- итаконовой кислоты Наличие катионных и анионных групп позволяет связующему проявлять амфотерные свойства. Они важны для эффективного взаимодействия связующего с волокнистой массой при рН 6,5-7,5. В результате исследований были установлены количественные соотношения мономеров для синтеза трех видов сополимера - амфотерного, катионного и анионного. Были определены мольный и массовый расход олигомеров на 1 т связующего. Установленные соотношения представлены в таблице 1.

Таблица 1. Соотношение, мольный и массовый расход мономеров на 1 т сополимера

Тип сополимера Соотношение мономеров и расход мономера на 1 т связующего

А (ММ 71) моль (%)/кг ДАДМАХ (ММ 162) моль (%)/кг ИК (ММ 130) моль (%)/кг

Амфотерный полиакриламид 86/735 12/234 2/31

Катионный полиакриламид 84/697 16/303 0

Анионный полиакриламид 84/741 0 16/259

Соотношения, приведенные в таблице 1, являются лучшими для придания требуемых свойств связующим. Для амфотерного сополимера, как видно из таблицы 1, при полном завершении реакции, число положительных зарядов составит 12 на 100 мономерных остатков, при этом, число отрицательных зарядов будет равно 4 на 100 мономерных остатков. В ка-тионном сополимере содержатся только катионные заряды - 16 на 100 мономерных остатков, а в анионном сополимере содержаться только анионные заряды - 32 на 100 мономерных остатков.

Одним из примеров по расходам химикатов на промышленное получение связующих могут служить данные таблицы 2.

Таблица 2. Расходные нормы промышленного получения сополимеров с концентрацией готового продукта 15% ___

Компонент Амфотерная смола (полиакриламид) Связующее (полиакриламид) катионного типа Связующее (полиакриламид) анионного типа

кг/т % кг/т % кг/т %

Вода 827,203 82,7203 821,35 82,135 846,565 84,6565

Трилон Б 0,025 0,0025 0,025 0,0025 0,025 0,0025

Акриламид 112,53 11,253 106,78 10,678 113,46 11,346

Итаконовая кислота 4,79 0,479 0 0 39,54 3,954

Катионный мономер ДАДМАХ (65%) 54,89 5,489 71,11 7,111 0 0

Метабисульфит натрия 0,279 0,0279 0,345 0,0345 0,185 0,0185

Персульфат калия 0,283 0,0283 0,390 0,039 0,225 0,0225

Итого: 1000 100 1000 100 1000 100

Цолучение связующего осуществлялся путем одновременного введения в макромолекулу сополимера амино- и карбоксильных групп. Присутствие в макромолекулах полимера разнохарактерных групп позволяет ему оказывать упрочняющее действие на картон даже в случае перезарядки волокнистой массы, т.е. даже в том случае, когда обычно отрицательно заряженная масса приобретает положительный заряд. Такое явление возможно, из-за избыточного введения в бумажную массу положительно заряженных химикатов на более ранних стадиях (катионных фиксаторов и флоккулянтов).

Поскольку реакция полимеризации экзотермическая, протекает с выделением большого количества тепла, то реакция проводится в реакторе с паровой (охлаждающей) рубашкой. В первой стадии подается пар для развития реакции, а затем в рубашку для отвода излишнего тепла подается холодная вода.

В качестве инициатора и регулятора роста цепи использовалась персульфат калия (К20832) и метабисульфит натрия (№28205). Изменяя соотношение мономеров, расход инициатора и температуру смеси, определили режим получения полимера. Режим получения:

а) соотношение и количество мономеров — по данным таблиц 1 и 2;

б) исходная концентрация водной реакционной смеси - 15... 18%;

в) расход инициаторов полимеризации - 0,3...0,6 % от общей массы оли-гомеров;

г) рНреакционной смеси: рН„ = 2,5...3,0, рНк= 3,2-3,5;

д) температура процесса: 1„ = 27-30 °С , 1ШИ = 75 -78 С, 1к= 90-93 С;

е) продолжительность активной стадии полимеризации - 1,0.. .1,5 ч;

ж) окончание полимеризации (выдержка) - 2,0 часа при 80 °С;

з) охлаждение до 30 °С в течение 1 часа.

к) конечная концентрация сополимера в готовом продукте - 100... 150%.

Контроль завершенности процесса сополимеризации ведется по содержанию остаточных мономеров, которое определялись методом броми-

рования двойных связей, и динамической вязкости. Процесс завершался при остаточных мономерах в пробах менее 0,3%. Значения динамической вязкости приведены в таблице 3.

Молекулярная масса (ММ) получаемых продуктов имеет пределы 600-800 тыс. единиц. Получение сополимеров с такими значениями ММ объясняется назначением продуктов. Продукты с ММ 500-1000 тыс. ед. обладают лучшими упрочняющими свойствами, а боле 1000 тыс., как правило, применяются как флоккулянты.

Характеристика получаемых продуктов (связующих) Результат исследований -это несколько новых промышленных продуктов, выпускаемых под торговым названием «Смола для повышения прочности бумаги и картона «Ультрарез ББ», таблица 3.

Таблица 3. Характеристики катионно-анионных полиакриламидных связующих

Показатели Ультрарез DS 100 Ультрарез DS 125 Ультрарез DS 150 Ультрарез DS 150С Ультрарез DS 100А

Внешний вид Бесцветная либо с желтым оттенком вязкая однородная жидкость без посторонних включений

Динамическая вязкость при 25 °С, кПа*с 300-2500 700-5500 100010000 100010000 500-2000

Содержание сухих веществ, % 10,0±0,5 12,0±0,5 15,0±0,5 15,0±0,5 15,0±0,5

рН при 20 иС 3,0-5,0 3,0-4,5 3,0-5,5

Продукты производит предприятие ООО «СКИФ Спешиал Кеми-калз» по ГУ2453-008-88593806-2001 Изменение №2.

3. Исследование электроповерхностных свойств связующего «Ультрарез DS 150». Взаимодействие связующего с волокном начинается при подготовке бумажной массы и протекает во всем интервале массопод-готовительных и формующих готовую бумагу или картон процессах. Поэтому все факторы изготовления бумаги оказывают влияние на эффективность повышения ее механических свойств при использовании связующего. Основными влияющими факторами являются рН массы (пределы 6,57,5), катионная потребность массы (от десятков до нескольких сотен мг-эквУг), электрокинетический заряд поверхности волокна - интервал (-) 15-70 мВ.

Исследование влияния рН на поверхностный потенциал связующего. Исследованный интервал рН и закономерность его влияния на электрический потенциал связующего на рисунке 2. Анализ зависимости позволяет отметить следующие закономерности:

а) в кислой среде, при рН 3, связующее имеет высокий положительный электрический потенциал, примерно 230 мВ, который постепенно понижается при увеличении рН среды;

б) в интервале рН 6,5-7,5, характерному «нейтральному» производству бумаги, потенциал имеет значение 75-80 мВ.

Положительный поверхностный заряд макромолекул связующего 7580 мВ, в интервале рН 6,5-7,5, близок к значениям ^-потенциала вторичного волокна при степени помола 13,5 °ШР, (-) 63-69 мВ, в том же интервале

рн 6,5-7,5, что видно на рисунке.4. Таким образом, подтверждается возможность интенсивного электростатического взаимодействия связующего с волокном в бумажной массе.

Рисунок 2. Зависимость электрического потенциала связующего от рН

Исследования влияния уН на анионную потребность смолы. Так называемые «анионные загрязнения» при нейтральном производстве бумаги относятся к неизбежным, но крайне нежелательным компонентам бумажной массы по той причине, что являются активными адсорбентами катион-ных химикатов. Количественно анионные загрязнения характеризуются - «катионной потребностью», т.е. количеством катионных зарядов необходимых для нейтрализации суммарного отрицательного заряда анионных загрязнений в бумажной массе. Поэтому, рассматривая катионно-анионное связующее в качестве упрочняющего бумагу средства, было важно, по аналогии с определением «катионной потребности», исследовать «анионную потребность» связующего как функцию рН среды. Зависимость представлена на рисунке 3.

100

3 4 5 ь 1 8

рн

Рисунок 3. Зависимость анионной потребности связующего от рН При анализе зависимости видны следующие закономерности: а) зависимость анионной потребности связующего, интенсивно снижается с 88 до 5 мг-экв./л, при возрастании рН среды с 3, 0 до 5.0;

б) в дальнейшем, по мере роста рН с 5,0 до 8,0, наблюдается плавное повышение анионной потребности - с 5 до 14 мг-экв./л;

в) в пределах рН среды 6,5-7,5, анионная потребность связующего составляет примерно 7-10 мг-экв./л.

Выявленная зависимость важна для оценки взаимодействия положительного связующего с анионной массой. По полученным данным видно, что в интервале рН 6,5-7,5 для нейтрализации поверхностного заряда связующего в 75-80 мВ требуется примерно 7-10 мг-экв./л анионного реагента.

Выводы из данных исследований следующие:

1. В условиях нейтрального производства картона из вторичного волокна, связующее проявляет низкую катионную активность в отношении электростатического взаимодействия с анионным волокном.

2. Вследствие низкой катионной активности, расход связующего для понижения анионного потенциала массы до интервала 5-10 мВ, обеспечивающего эффективный отлив картона, может быть значительным.

Данные выводы имеют большое значение для обоснования норм расхода связующего.

Исследование влияния уН и степени помола на С-потенииал волокна. В дополнение к характеристике анионной потребности, важно было установить уровни С,- потенциала для вторичного волокна в интервале рН 6,57,5. Начальный уровень С,- потенциала и его изменение от рН при различных степенях помола массы, расширяют сведения о свойствах волокна и обуславливают большую объективность оценки процесса упрочнения картона. Полученные зависимости представлены на рисунке 4.

РН

-зо

ш

-¿О •7040

Рисунок 4. Зависимость потенциала вторичного волокна от рН: 1 - степень помола массы 13,5 °ШР (исходная масса); 2- степень помола массы 32,5 °ШР (размолотая масса) Выводы по проведенным исследованиям:

1. Величина рН массы мало влияет на С,- потенциал вторичного волокна. При уровне рН 6,5-7,5, уровень потенциала изменяется примерно на 5 мВ для степени помола массы 13,5, и 32,5 °ШР;

2. С увеличением степени помола массы, потенциал волокна значительно повышается. Прирост степени помола массы на 19 °ШР (с 13,5 до 32,5 °ШР), увеличивает С,- потенциал на 31 мВ (с 65,2 до 34,2 мВ). Удельное увеличение С,- потенциала при размоле волокна составляет 1,63 мВ на 1 °ШР.

Зная закономерности влияния рН и степени помола массы на ее потенциал, важно было установить, как влияет на ^-потенциал массы связующее.

Исследование влияние расхода связующего на С- потенциал волокна. В экспериментах изучалось влияние катионного связующего на С,- потенциал вторичного волокна для концентрации волокна 1%. Зависимость представлена на рисунке 5. При ее анализе обращает на себя внимание следующие закономерности:

0

-5

-10

еа -15

s

ил -20

-25

-30

-35

-40

б 1Й 2i

( DS, КГ т 1

J. ..

Рисунок 5. Влияние расхода связующего G на С,- потенциал массы при концентрации 1% и рН=7,0

а) сравнительно высокая интенсивность роста С- потенциала при расходах связующего до 6 кг/т (с (-) 38 до (-8) мВ и низкая интенсивность, при расходе связующего от 6 до 18 кг/т (с (-) 8 до (-) 2.. .3 мВ.

б) наблюдаемый характер роста ¡¡- потенциала, как показано в диссертации, имеет место для размолотого волокна и не размолотого волокна при рН =7,0.

Результаты экспериментов позволяют сделать важные выводы:

а) связующее «Ультрарез DS» функцию высокоэффективного катионного компонента бумажной массы выполняет в пределах расхода 5-7 кг/т волокна;

б) расход «Ультрарез DS» 5-7 кг/т картона способен повышать потенциал бумажной массы до (-) 8-10 мВ, что находится на уровне рекомендуемых пределов для эффективного формования картона в нейтральной среде (-) 10-5 мВ;

Укажем, что впоследствии экспериментально полученные расходы связующего получили подтверждение при промышленных испытаниях.

4. Исследование влияния связующего «Ультрарез DS 150» на свойства волокнистой массы и эффективности при ее совместном применения с катионными химикатами. Исследование удержания связующего волокном. Фактор удержания химических функциональных продуктов волокном является чрезвычайно важным и совместно с другими

12

факторами был исследован автором диссертации. Удержание следует всегда рассматривать в двух аспектах. Первый — это фактическая доля удержания волокном связующего, а второй — это скорость реакции удержания, а точнее - скорость адсорбции химиката волокном. Применительно к формованию картона на современных БДМ, и скорость адсорбции связующего, и его удержание волокнистой массой должны быть как можно выше. Высокая скорость адсорбции связующего позволяет завершиться процессу до стадии обезвоживания массы на сетке машины, а, следовательно, обеспечить необходимое удержание и закрепление связующего в массе. Проведенные опыты по удержанию связующего вторичным волокном из 100% сульфатной небеленой целлюлозы показали, что удержание связующего составляет примерно 78-84% и достигается в пределах времени контакта 30-180 с. Отметим, что уже за 30 с удержание связующего достигает -78,5%.

Основные выводы из эксперимента следующие:

а) удержание связующего 78% за 30 с контакта с массой можно считать приемлемым для «Ультрарез DS» в качестве упрочняющего средства;

б) эксперименты с «Ультрарез DS 150» целесообразно продолжить для получения новых данных взаимодействия связующего и волокнистой массы; результаты экспериментов представлены ниже.

Исследование влияния «Ультрарез DS 150» на обезвоживание массы и качество подсеточной воды. Наряду с удержанием связующего, важнейшими факторами является его влияние на скорость обезвоживания бумажной массы на сетке машины и удержание мелкого волокна и коллоидных частиц. Очевидно, что скорость обезвоживания массы влияет на производительность машины, а удержание компонентов массы - это повышение эффективности использования волокна и улучшение качества подсеточной воды.

С другой стороны, разрабатывается новое катионно-анионное упрочняющее средство, и целесообразно было связать его влияние на обезвоживание и качество подсеточной воды с содержанием катионных и анионных групп в макромолекулах связующего. Данные исследований лабораторных образцов массы приведены в таблице 4. Как и ожидалось, наблюдается определенная зависимость обезвоживания массы и качества подсеточной воды от содержания катионных и анионных групп.

Общие закономерности следующие:

а) присутствие связующего в массе ускоряет обезвоживание массы и улучшает качество подсеточной воды;

б) увеличение катионных групп в связующем с 6 до 16 единиц, ускоряет обезвоживание массы на 3-4 с и значительно улучшает показатели подсеточной воды;

в) положительное влияние связующего на скорость обезвоживания массы и качество воды имеет место при сравнительно невысоком содержании анионных групп (2-4 единицы);

г) приемлемыми по скорости обезвоживания и качеству воды являются данные вариантов 3 и 4, содержащие от 12 до 16 катионных групп (моль ДАДМАХ/100 моль суммы А + ДАДМАХ +ИК) и от 2 до 4 анионных групп (моль ИК/100 моль суммы А + ДАДМАХ +ИК).

Таблица 4. Влияние содержания катионных и анионных групп в «Ультрарез Бв» на скорость обезвоживания массы и качество подсеточной воды___

2 Содержание, групп, % Время обезвоживания, Качество подсеточной воды

§ кати- ани- 500 мл Содержа- Концентра- Катионная

а- га онных онных массы, с ние взвешенных, FTU ция крахмала, мг/л потребность, мг-экв/л

Без свя-

зующего - - 39,6 189 50,2 42

1 6 2 38,2 114 34,3 37

2 6 4 38,4 99 38,5 38

3 12 2 35,2 79 29,3 34

4 16 3 33,9 69 28,3 30

Установленное влияние катионных групп на обезвоживание бумажной массы и качество подсеточной воды объясняется взаимодействием связующего с отрицательно заряженным волокном и анионными загрязнениями.

Основной вывод из исследований можно сформулировать следующим образом: целесообразное, с точки зрения свойств связующего, содержание катионных и анионных групп в «Ультрарез DS 150» соответственно следующее 12% мольных ДАДМАХ и 2% мольных ИК.

Исследование эффективности совместной подачи в волокнистую массу «Ультрарез DS 150». флоккулянта, коагулянта и фиксатора. В технологии тарного картона и, особенно при использовании вторичного волокна, всегда применяют одновременно несколько функциональных катионных продуктов: катионные клеи, катионные крахмалы, фиксаторы анионных частиц массы, коагулянты и флоккулянты. Все химикаты имеют целевое назначение, обладают определенной химической активностью и, следовательно, должны влиять на результаты применения катионно-анионного полиакриламидного связующего. С целью установления данного влияния были проведены эксперименты. Данные по результатам исследований приведены в таблице 5.

В варианте сравнения (0) химикаты не подавались. В этом варианте свойства массы оказались следующими: скорость обезвоживания 63,4 с, содержание взвешенных веществ - 215 FTU, концентрация крахмала - 56,3 мг/л. Добавление только «Ультрарез DS» 5 кг/т (вариант 1) понижает содержание взвешенных веществ почти в 2 раза, с 215 до 120 FTU, уменьшает концентрацию крахмала на 7,3 мг/л и ускоряет обезвоживание на 8,0 с.

При добавлении в массу дополнительно сульфата алюминия (2,5 кг/т волокна), в сочетании с 5 кг/т «Ультрарез DS» (вариант 2), положительный

эффект по обезвоживанию улучшается еще на 6,6 с, концентрация крахмала в воде снижается на 6,5 мг/л, а содержание взвешенных веществ падает еще на 20 единиц FTU.

Таблица 5. Влияние совместного применения в массу катионных химических средств и связующего «Ультрарез DS 150» на скорость обезвоживания бумажной массы и качество подсеточной воды.__

Вариант катионные химикаты в массу (по товарному продукту), кг/т Качество подсеточной воды

Фиксатор, «Ультрафикс Р 127» Сульфат алюминия Флок-кулянт, ПАА «Ультрарез DS» Содержание взвешенных, FTU Содержание крахмала мг/л Время обезвоживания, 500 мл массы, с

0 - - - - 215 56,3 63,4

1 - - - 5 120 49,0 55,4

2 - 2,5 - 5 100 42,5 48,8

3 1,5 - - 5 117 39,9 54,7

4 - - 0,04 5 118 48,4 53,1

5 1,5 2,5 - 5 95 32,6 47,6

Применение в массе «Ультрарез DS» и фиксатора анионных частиц «Ультрафикс Р 127» (вариант 4), ведет к некоторому повышению содержания взвешенных веществ, снижению содержания крахмала и понижению скорости обезвоживания на 5,9 с.

Одновременное введение «Ультрарез DS 150» и флоккулянта, значительно меньше снижает содержание крахмала в подсеточной воде (вариант 4), по сравнению с фиксатором, а эффект оказывается примерно равным действию только «Ультрарез DS» (вариант 2).

Наибольший положительный эффект на скорость обезвоживания и качество подсеточной воды имеет место при совместном применении фиксатора, сульфата алюминия и «Ультрарез DS» (вариант 5). Из данных видно, что скорость обезвоживания массы, в сравнении с вариантом применения только «Ультрарез DS», увеличивается на 7,8 с, содержание крахмала понижается на 16,4 мг/л и содержание взвешенных веществ понижается на 25 FTU.

Основной вывод. При самостоятельном применении «Ультрарез DS» положительно влияет на свойства массы и качество подсеточной воды, а ее применение с фиксатором анионных частиц и коагулянтом сульфатом алюминия, значительно усиливает положительное влияние на качество подсеточной воды и скорость обезвоживания массы. Следовательно, «Ультрарез DS» можно применять для повышения скорости обезвоживания бумажной массы и удержания в ней анионных и крахмальных частиц. Для усиления положительного действия «Ультрарез DS 150» на технологию, его необходимо применять совместно с коагулянтами и флоккулян-тами.

5. Совершенствование технологии повышения механической прочности тарного картона связующим «Ультрарез DS 150». Обобщенные результаты по свойствам «Ультрарез DS». В экспериментах, рассмотренных в п.З и 4, основной задачей было изучение свойств полученного связующего и оценка уровня соответствия его цели работы - пригодности связующего для повышения механических свойств макулатурного тарного картона в сухом состоянии.

Главные результаты, экспериментально подтверждающие целесообразность получения синтетического связующего для повышения механически свойств тарного картона, следующие:

а) в области pH формования тарного картона (pH 6,5-7,5) связующее имеет высокий катионный заряд поверхности макромолекул (75-80 мВ) и способно к интенсивному электростатическому взаимодействию с электроотрицательным волокном с потенциалом (-) 63-69 мВ. Это взаимодействие обеспечивает прочное закрепление и высокое удержание макромолекул связующего на волокне;

б) в условиях подготовки бумажной массы и формования картона, удержание связующего на волокне составляет 78%;

в) в области pH 6,5-7,5 связующее отличается низкой анионной потребностью (3-5 мг-экв/л); данное свойство ограничивает адсорбцию анионных частиц макромолекулами связующего и способствует сохранению его высокого сродства к анионному волокну;

г) расход связующего для упрочнения картона составляет 6-7 кг/т;

д) больший эффект влияния на свойства волокнистой массы и качество подсеточной воды связующее оказывает при совместном применении с флоккулянтом и коагулянтом;

Лабораторные испытания эффективности упрочнения картона связующим «Ультрарез DS». Целью лабораторных испытаний было установление упрочняющей эффективности «Ультрарез DS 150» в качестве альтернативного химиката катионному крахмалу. Производилась бумага для гофрирования 125 г/м2 и использовалось вторичное волокно из макулатуры МС-5Б (бытовая макулатура). Волокнистая масса из макулатуры перед отливом образцов бумаги размалывалась в лабораторном ролле до степени помола 30 °ШР. Отливки бумаги изготавливались на листоотлив-ном аппарате «Рапид-Кеттен». Результаты испытаний представлены.в таблице 6 (сокращения в таблице: ПП - «POLYPACS-18»; КК - катионный крахмал «Амилофакс»).

Изготавливались варианты образцов бумаги с совместным применением «POLYPACS-18» -2 кг/т, катионного крахмала («Амилофакс») - 12 кг/т; катионного клея АКД («Гидрорес» 364 VP) - 3, 5 кг/т, флоккулянта («Феннопол») - 250 г/т. Укажем, что химический продукт «POLYPACS-18» является полиоксихлоридом алюминия и по своему действию подобен влиянию сульфата алюминия и применялся взамен него.

Варианты без применения химикатов и с применением катионного крахмала являлись вариантами сравнения, по отношению к вариантам с использованием связующего «Ультрарез DS 150».

Таблица 6. Данные по результатам сравнительных лабораторных испытаний связующего «Ультрарез DS 150» и крахмала «Амилофакс» _

Физико-механические показатели бумаги Расход химикатов в массу в массу, кг/т

Без добавки химикатов ПП-2 КК-12 ПП-3 DS-150 3 пп-з DS-150 5 ПП-3 DS-150 7 ПП-5 DS-150 7

Абсолютное сопротивление продавливанию, кПа (кгс/см2) 220 320 240 282 279 340

Сопротивление торцевому сжатию гофрированного образца (СМТ), КН/м 0,98 1,21 1,08 1,21 1,08 1,43

Сопротивление плоскостному сжатию, Н 145 201 135 170 218 248

Разрушение при сжатии кольца, Н (15 мм) 105 175 120 180 191 185

Разрушающее усилие, Н(100 мм) 55 80 55 68 66 93

Анализ результатов испытаний и выводы:

1. Связующее «Ультрарез DS 150», добавляемое в массу в количествах 3, 5 и 7 кг/т, взамен крахмала, оказывает упрочняющее действие на бумагу; по мере увеличения связующего с 3 до 7 кг/т, показатели прочности растут и достигают уровня нормируемых показателей для бумаги марок Б-1 и Б-0 по ГОСТ Р 53206-2008.

2. Заметное влияние на упрочняющую эффективность «Ультрарез DS 150» оказывает полиоксихлорид алюминия: повышение расхода «POLYPACS-18» в массу, по отношению к связующему, повышает механические показатели бумаги.

3. Расходы «Ультрарез DS 150», удовлетворяющие уровню физико-механических показателей бумаги для гофрирования марок Б-1 и Б-0, составляют 5-7 кг/т по товарному продукту. Эти расходы рекомендуются для производства.

4. Расходы «POLYPACS-18», обеспечивающие эффективность «Ультрарез DS 150», по п.2, составляют 3-4 кг/т бумаги. Данный расход также рекомендуется для разрабатываемой промышленной технологии.

5. Лабораторные испытания упрочняющей способности «Ультрарез DS 150» в сочетании с полиоксихлоридом алюминия показали, что в технологии производства бумаги для гофрирования эти химикаты могут быть

альтернативой катионному крахмалу с дополнительньми положительными эффектами.

6. Данные лабораторных испытаний позволяют ожидать требуемой эффективности упрочнения «Ультрарез DS 150», при производстве тест-лайнера и флютинга.

Дальнейшие лабораторные исследования проводились с композицией бумажной массы на основе макулатуры МС-5Б, в которой использовался катионный крахмал другой фирмы («Perlbond 930», со степенью замещения 0.04 моль/моль), «Ультрарез DS 150», клей АКД «Ультрасайз 200» и сульфат алюминия. Особенностью массы было высокое содержание солей в воде (электропроводность воды составляла 1920 мкСм/см). Данные исследований приведены в таблице 7.

Анализ данных таблицы 7 показывает эффективное влияние «Ультрарез DS 150», клея «Ультрасайз 200» и сульфата алюминия, на свойства массы, качество подсеточной воды и качество картона.

Основные выводы:

1. Удержание мелкого волокна и коллоидных частиц массы в испытуемом варианте 3, по сравнению с вариантом 2 (масса с крахмалом), снижается на 180 единиц FTU; время обезвоживания массы сокращается на 10 с; поверхностная впитываемость воды снижается 10,9 г/'м2; сопротивление продавливанию возрастает на 27 кПа; энергия связи между волокнами и разрушающее усилие при сжатии кольца остаются примерно на одном уровне.

2. Исследованный комплекс химических продуктов по варианту 3 дает существенно лучшие результаты, при значительно меньшем их общем расходе химических средств - 8,5 кг/т, против 14,0 кг/т.

Таблица 7. Качество массы и картона при совместном применении связующего «Ульт-рарез DS 150», катионного клея, катионного крахмала и сульфата алюминия_

Качество картона

Вари- Химикаты Содержание взве- Время Поверхн. Энер- Разрушающее Сопротивле-

ан- в массу, шенных, обезво- впитыва- гия усилие ние

ты кг/т FTU живания, емость, связи, Дж/м2 при продав-

массы, с (Коббзо), г/м2 сжатии кольца, Н ливанию, кПа

1. АКД-8 1430 60,0 63,2 115,6 49,5 ' 140

2. Крахмал - 6 Клей-8 1020 50,0 41,8 139,7 53,5 167

3. A12(S04)3 -2,5 «Ультрарез DS 150»-4 «Ультрасайз 200»- 2 840 40,0 30,9 135,3 51,2 194

Опытно-промышленные испытания «Ультрарез DS 150» в технологии тарного картона. Лабораторные исследования эффективности «Ультрарез DS 150» и условий применения связующего с химическими продук-

тами активирующими его упрочняющее действие на тарный картона, позволили перейти к следующему этапу разработки технологии упрочнения — опытно-промышленным испытаниям.

Опытно-промышленные работы проведены на трех предприятиях России — ЗАО «Ярославская Бумага», ООО «Сухонский ЦБК» и ООО «Окуловская бумажная фабрика». Цель испытаний - в условиях производства макулатурного тарного картона испытать новый комплекс химических средств на основе «Ультрарез DS 150» совместно с сернокислым алюминием, взамен комплекса химикатов с катионным крахмалом.

Обобщение результатов опытно-промышленных испытаний и технология применения связующего «Ультрарез DS 150» для повышения механической прочности тарного картона. Лабораторные и опытно-промышленные исследования эффективности «Ультрарез DS 150» для упрочнения тарного картона позволили сформулировать технологические основы применения «Ультрарез DS 150» в композиции с катионным клеем, сульфатом алюминия или полиоксихлоридом алюминия. Они следующие:

1. Эффективность повышения физико-механических свойств «Ультрарез DS 150» при испытании на указных предприятиях получила подтверждение и позволила применять новое связующее взамен катионного крахмала.

2. При использовании комплекса химических продуктов (катионный крахмал, катионный клей, флоккулянт, соединения алюминия и связующее «Ультрарез DS»), важно соблюдать последовательность их подачи в массу.

3. Перед подачей в волокнистую массу товарный продукт «Ультрарез DS 150» с концентрацией 15% «Ультрарез DS 150» следует разбавлять водой в 5-10 раз. Разбавление проводят, подавая расчетное количество воды в насос, дозирующий товарную смолу.

4. Выполненные исследования позволяют рекомендовать следующую схему подачи химических продуктов в массу:

а) сульфат алюминия подается в массу, поступающую в машинный бассейн, а крахмал в массу, выходящую из машинного бассейна (можно: сульфат алюминия в композиционный бассейн, а крахмал в машинный бассейн); расход глинозема 7-10 кг товарного продукта на 1 т или 3,5-5,0 кг/т по сухому продукту; полиоксихлорид подается в те же точки, что и сульфат алюминия, но с расходом 2-4 кг/т по товарному продукту (например, при концентрации 18% по окиси алюминия).

б) «Ультрарез DS» - в неразбавленную массу БПУ или в массу перед смесительным насосом; расход смолы 4-7 кг/т по товарному продукту;

в) клей АКД - в массу перед узлоловителями либо перед смесительным насосом;

г) флоккулянт после узлоловителей или перед узлоловителями, в зависимости от места подачи клея.

5. При замене катионного крахмала связующим «Ультрарез DS 150», места подачи других химических продуктов можно несколько изменить, не нарушая очередности их подачи в массу.

Подробные отчеты об испытаниях новой технологии на предприятиях представлены в приложенных к диссертации актах.

6. Оценка экономической эффективности использования результатов диссертационного исследования. Экономическая эффективность использования «Ультрарез DS 150» оценивалась по общим затратам на комплексы химических средств по действующим вариантам — технологии с катионным крахмалом и новым вариантам — со связующим «Ультрарез DS».

Учитывая только затраты на комплексы химических продуктов в вариантах с действующей технологией и предложенных новых вариантах, получено их примерное равенство при производстве флютинга, а вариантах с тест-лайнером, имеет место экономия средств.

Кроме прямой экономии средств на химикаты, получены следующие положительные технологические факторы, как результаты диссертационного исследования, подтвержденного экспериментальными и опытно-промышленными работами:

а) повышение производительности бумагоделательных машин, вследствие ускорения обезвоживания массы на сетке и сокращения продолжительности сушки картона в сушильной части (3-5%);

б) повышение степени использования вторичного волокна, за счет удержания мелкого волокна в картоне (5%);

в) повышение качества оборотной воды за счет уменьшения концентрации взвешенных веществ (мелкого волокна и «анионных загрязнений» (10-15%);

г) снижение биообростаний технологического потока и вызываемого игл снижения производительности оборудования, из-за уменьшения содержания деградирующего и загнивающего крахмала в оборотной воде и бумажной массе.

Указанные положительные факторы усовершенствованной технологии с применением нового упрочняющего синтетического связующего «Ультрарез DS 150», в целом дают значительный экономический эффект, примерно 420 руб./т.

В акте внедрения результатов диссертационного исследования в ЗАО «Ярославская бумага», приведена экономическая эффективность за период с ноября 2009 г. по июль 2011 г., в сумме 14,28 млн. руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1. Экспериментально разработана рецептура, режим и получено в промышленных масштабах катионно-анионное полиакриламидные связующие марки «Ультрарез DS» для повышения механических свойств макулатурного тарного картона в сухом состоянии.

2. Обоснована, экспериментально подтверждена и внедрена технология повышения механических свойств макулатурного тарного картона на основе комплекса химических средств - «Ультрарез DS 150», фиксатора анионных частиц и сульфата алюминия, взамен катионного крахмала. Она

обеспечивает достижение физико-механических показателей флютинга до уровня Б-1, тест-лайнера - до уровня К-1.

3. Установлена зависимость электрического потенциала и анионной потребности «Ультрарез DS 150» от уровня pH в водных растворах: в интервале pH 6,5-7,5, характерном процессам формования картона, электрический потенциал и анионная потребность смолы примерно равны 75-80 мВ и 3-5 мг-экв./л.

4. На основании влияния «Ультрарез DS 150» на потенциал вторичного волокна установлено, что целесообразный расход связующего для упрочнения находится в пределах 6-7 кг/т. Данный расход смолы повышает ¡¡- потенциал бумажной массы до (-) 8-10 мВ;

5. Установлена зависимость влияния количества катионных и анионных групп связующего на свойства массы и качество подсеточной воды: содержание взвешенных веществ, концентрацию крахмала, время обезвоживания, катионную потребность. Для обеспечения лучших значений данных показателей, содержание катионных и анионных групп должно быть, соответственно, 12 и 2% мольных от общей массы мономеров.

6. Экономический эффект от внедрения результатов диссертации за 2009-2011 г.г. в ЗАО «Ярославская бумага» составил 14,28 млн. руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в трудах:

В журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Кожевников С.Ю. Научные основы упрочнения бумаги при участии полимерполиионных наночастиц [Текст] / Кожевников С.Ю., Дубовый В.К. // «Целлюлоза. Бумага. Картон». -2010. -№10. - С. 51-52.

2. Андреева C.JI. Теоретические основы технологии повышения прочности картона из макулатуры полимерами [Текст] / Андреева C.JL, Кожевников С.Ю., Дулькин Д.А., Дубовый В.К. // «Химия растительного сырья». -2011. -№1. -С.179-181.

3. Кожевников С.Ю. Упрочнение бумаги синтетической катионно-анионной полиакриламидной смолой [Текст] / Кожевников С.Ю., Андреева СЛ. // «Химия растительного сырья». -2011. -№2. -С.177-182.

Монография fсоавторство):

4. Е.А.Гаврилиди. Автоматизация, стандартизация, экономика и охрана окружающей среды Т.З, ч.З «Наилучшие доступные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности» [Текст] / Гаврилиди Е.А., Ста-ниюкович И.Я, Шпаков Ф.В., Вьюков Б.Е., Еромолинский В.Г., Аввакумов Е.В., Кожевников С.Ю. и др. Изд-во: «Политехника», С.Пб., -2012, -294 с.

Научные работы, опубликованные в трудах конференций:

5. Кожевников С.Ю. Новые технологии применения химических продуктов [Текст] / Кожевников С.Ю., Андреева С.Л., Блинушова О.И., Мороз В.Н.// Химические процессы современной технологии ЦБП. 3-я межд. научн.-практ. конф. Сб. тр. ГОУ ВПО ГТУРП, С.-Пб. -2010. - С.28-29.

6. Андреева С.Л. Межслоевое упрочнение тарного картона полимерными химическими веществами [Текст] /Андреева С.Л., Кожевников С.Ю., Ковернинский И.Н. // Химические процессы современной технологии ЦБП. 3-я межд. научн.-практ. конф. Сб. тр. ГОУ ВПО ГТУРП, С.-Пб. -2010. -С.30.

7. Ковернинский И.Н. Роль ¡^-потенциала в межволоконном взаимодействии [Текст] / Ковернинский И.Н., Дулькин Д.А., Дубовый В.К., Кожевников С.Ю.// Физикохимия растительных полимеров: материалы IV Междунар. конф., Архангельск, - 2011. - С.133-134.

8. Ковернинский И.Н. Особенности применения химических средств в рециклинге бумаги и картона из макулатуры [Текст] /Ковернинский И.Н., Дулькин Д.А., Кожевников С.Ю.//Современное оборудование и технологии изготовления бумажно-картонной продукции из макулатурного сырья. Производство гофрокартона и изготовление тары. Тр.13-й Междунар. научн.-техн. конф. Караваево, - 2012. - С.62-67.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными гербовой печатью подписями просим направлять по адресу: 163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17, ФГАОУ ВПО Северный (Арктический) федеральный университет им. М.ВЛомоносова, диссертационный совет Д 212.008.02

Подписано в печать 10.04.2013. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1414.

Издательско-полиграфический центр им. В.Н.Булатова ФГАОУ ВПО С(А)ФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д.56

ФГАОУ ВПО «СЕВЕРНЫЙ АРКТИЧЕСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА» ООО «СКИФ СПЕШИАЛ КЕМИКАЛЗ»

На правах рукопи

КОЖЕВНИКОВ Сергей Юрьевич

04201358661

ПОЛУЧЕНИЕ КАТИОННО-АНИОННОГО ПОЛИАКРИЛАМИДНОГО СВЯЗУЮЩЕГО И ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАКУЛАТУРНОГО ТАРНОГО КАРТОНА

Специальность: 05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Дубовый Владимир Климентьевич

Архангельск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ стр.

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................................5

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................11

1.1 Технология и свойства тарного картона из вторичного волокна..........................11

1.1.1 Основные процессы технологии картона................................................................................11

1.1.2 Требования к качеству картона......................................................................................................14

1.1.3 Прочность и жесткость картона......................................................................................................17

1.2 Волокно для тарного картона, свойства и их изменение в основных процессах технологии........................................................................................................................................19

1.2.1 Виды и свойства волокна........................................................................................................................19

1.2.2 Микроструктура целлюлозного волокна................................................................................20

1.2.3 Размеры волокна............................................................................................................................................22

1.2.4 Фракционный состав..................................................................................................................................24

1.2.5 Вторичное волокно....................................................................................................................................26

1.2.6 Химический состав древесины и волокна..............................................................................31

1.3 Силы связи между волокнами в структуре картона..........................................................32

1.3.1 Строение и свойства целлюлозы....................................................................................................32

1.3.2 Виды и энергия сил связи......................................................................................................................34

1.3.3 Двойной электрический слой..............................................................................................................36

1.3.4. Нанохимия и элементы нанотехнологии в производстве бумаги..................38

1.4. Функциональные химические продукты в технологии тест-лайнера..............40

1.4.1. Роль функциональных химических средств в химии бумаги..............................40

1.4.2. Основные химические средства для тарного картона................................................41

1.4.3. Гидрофобизирующие продукты....................................................................................................42

1.4.4. Полимерные природные и синтетические связующие............................................47

1.5. Выводы по обзору литературы, формулирование цели диссертации

и постановка задач исследований............................................................................................................58

2 МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ............................................................................................................................60

2.1 Объекты и методики исследований....................................................................................................60

2.2 Измерение электрокинетического потенциала......................................................................62

2.3 Измерение катионной потребности бумажной массы....................................................63

2.4 Макулатура и масса из нее для исследований........................................................................64

2.5 Отбор массы и основные исследования........................................................................................65

2.6 Размол массы и определение степени помола волокнистой массы..................67

2.7 Определение средней длины волокна по методу Иванова..........................................69

2.8 Определение способности макулатурной массы к обезвоживанию..................70

2.9 Анализ образцов бумаги и картона..................................................................................................70

2.10. Изготовление лабораторных образцов бумаги..................................................................70

2.11. Определение стандартных характеристик тест-лайнера и флютинга............71

2.12. Статистическая обработка данных эксперимента..........................................................72

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ......................................................................................................74

3.1 Обоснование химического состава катионно-анионного

полиакриламидного связующего............................................................................................................74

3.1.1. Обоснование выбора химического состава связующего....................................74

3.1.2 Химический состав катионно-анионного полиакриламидного

связующего..................................................................................................................................................................................76

3.2 Получение катионно-анионного связующего......................................................................78

3.2.1 Химические реакции получения связующего..................................................................78

3.2.2 Факторы получения связующего и готовые продукты..........................................80

3.3 Исследование электроповерхностных свойств связующего «Ультрарез

DS 150»..............................................................................................................................................................................83

3.3.1 Исследование влияния рН на поверхностный заряд «Ультрарез DS

150»......................................................................................................................................................................................83

3.3.2 Исследования влияния рН на анионную потребность «Ультрарез DS

150»....................................................................................................................................................................................85

3.3.3 Исследование влияния рН и степени помола на С,- потенциал макулатурного волокна............................................................................................................................................86

3.3.4 Исследование влияние расхода «Ультрарез DS 150»

на С,- потенциал волокна..................................................................................................................................88

3.4 Исследование влияния связующего «Ультрарез DS 150» на свойства волокнистой массы и эффективности при ее совместном применения

с катионными химикатами............................................................................................................................89

3.4.1 Исследование удержания «Ультрарез DS 150» волокном......................................89

3.4.2 Исследование влияния «Ультрарез DS 150» на обезвоживание массы и качество подсеточной воды................................................................ 90

3.4.3 Исследование эффективности совместной подачи в волокнистую

массу «Ультрарез DS 150», флоккулянта, коагулянта и фиксатора.............. 92

3.5 Совершенствование технологии повышения механической прочности тарного картона связующим «Ультрарез DS 150»................................. 94

3.5.1 Обобщенные результаты по свойствам «Ультрарез DS».................. 94

3.5.2 Лабораторные испытания эффективности упрочнения картона связующим «Ультрарез DS»............................................................. 96

3.5.3 Опытно-промышленные испытания смолы «Ультрарез DS 150» в

технологии тарного картона............................................................. 99

3.5.4. Обобщение результатов опытно-промышленных испытаний и технологические основы применения смолы «Ультрарез DS 150» для повышения механической прочности тарного картона....................................................104

3.6 Оценка экономической эффективности использования результатов

диссертации................................................................................. 105

4 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ....................................................................... 110

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................... 111

Приложение А. Акт опытно-промышленных испытаний связующего

«Ультрарез DS 150» в ЗАО «Ярославская Бумага»............... 125

Приложение Б. Отчет об опытно-промышленных испытаниях связующего

«Ультрарез DS 150» в ООО «Сухонский ЦБК».................... 128

Приложение В. Акт опытно-промышленных испытаний связующего

«Ультрарез DS 150» в ООО «Окуловская бумажная фабрика» 142 Приложение Г. Акт внедрения технологии упрочнения бумаги для

гофрирования и картона для плоских слоев гофрированного картона с использованием смолы «Ультрарез DS 150»............ 148

ВЕДЕНИЕ

Повышение качества продукции и эффективности бумагоделательной технологии на всех этапах ее развития было приоритетной задачей. Качество бумаги и картона, вследствие большого разнообразия видов, характеризуется множеством показателей. Они систематизированы в ряд основных групп, из которых для таро-упаковочных видов основными являются структурно-механические и капиллярно-гигроскопические. Отметим, что физико-механические свойства присущи всем видам бумаги и картона. Но, самими высокими механическими свойствам должны обладать бумага и картон для изготовления тарного картона - это бумага для гофрирования и картон для плоских слоев гофрированного картона. Чем прочнее материал, тем он более востребован потребителям и рентабельнее производителям. Это положение подкрепляется тем преимуществом более прочных материалов, что их

Л

можно изготовлять с пониженной массой 1 м , а, следовательно, более рационально использовать волокна, при соблюдении нормативных требований к материалам, и повышать производительность бумагоделательных машин [1-4].

С одной стороны, макулатура - это ресурсосберегающий источник пригодного для многократного использования волокна, а, с другой стороны, в силу многократного участия в разнохарактерных технологических процессах переработки, вторичному волокну свойственно постоянное снижение качества. К тому же, масса из макулатуры по волокнистому и фракционному составу практически не прогнозируема.

Наблюдаемые отрицательные факторы при использовании вторичного волокна, требуют непрерывного совершенствования технологии, оборудования, разработки и применения новых потенциально перспективных процессов для восстановления бумагообразующих свойств. В целом данное направление дает положительные результаты [5-6]. Из оправдавших себя способов решения задачи по восстановлению структурно-механических свойств вторичного волокна для производ-

ства тарного картона, можно назвать: фракционирование массы, расширение применения известных и новых химических средств, особенно в сочетании с фракционированием массы и приемами раздельной обработки фракций различными химическими средствами.

Химические средства, в силу их высокой избирательной эффективности, при сравнительной простоте применения и экономичности, стали неотъемлемым фактором развития технологии бумаги и картона. В данном ключе используются проклеивающие, упрочняющие, флоккулирующие, обезвоживающие и биоцидные средства. Перечисленные химические вещества в том или ином сочетании присутствуют практически во всех волокнистых массах бумажного и картонного производства. Являясь представителями различных классов химических веществ, названные продукты в технологии выполняют целевые задачи и, при этом, комплексно влияют на результаты отдельных процессов и технологии в целом.

Однако, наличие большого опыта применения всего арсенала химических продуктов, еще не гарантирует ожидаемого и стабильного максимально положительного эффекта в технологии тарного картона из макулатурного сырья. Положительное действие совершенствования применения известных химических продуктов, как правило, ослабляется фактором снижения качества вторичного волокна и суммарный эффект остается не удовлетворительным. Следует особо отметить, что потеря вторичным волокном, например, важнейших прочностных и жесткостных свойств отличается специфичностью. Это проявляется в существовании количественного предела упрочняющих добавок для повышения прочности и жесткости картона. Так, наиболее распространенные упрочняющие средства - крахмалопро-дукты, имеют предел 10-12 кг/т, после которого их расходы в сравнении с приростом эффективности влияния становятся экономически не приемлемыми. Те же закономерности наблюдаются и при применении известных синтетических полимерных упрочняющих смол.

Тем не менее, несмотря на наличие указанного противоречия, крахмалопро-дукты остаются самым востребованным упрочняющим средством в технологии тарного картона. Доля синтетических упрочняющих веществ, в сравнении с крах-малопродуктами, еще незначительна. Но, учитывая возможности современного химического синтеза в придании требуемых связующих свойств синтетическим

смолам, это направление рассматривается альтернативным крахмалу. Данное перспективное направление интенсивно разрабатывается, имеются определенные успехи в создании и применении синтетических смол для целей упрочнения бумаги и картона.

В соответствии с всевозрастающими требованиями к механической прочности тарного картона и экономичности производства, вышеизложенное ставит вполне определенные задачи по развитию знаний в области свойств вторичного волокна, восстановлению потенциала его бумагообразующих свойств, созданию новых эффективных химических средств для упрочнения.

Диссертационная работа посвящена разработке синтетического химического полимерного упрочняющего средства - катионно-анионного полиакриламидного связующего и технологии повышения механической прочности тарного картона, основанной на ее свойствах. Комплекс вопросов и задач решаемых в диссертации охватывает область теоретических исследований, экспериментальных и опытно-промышленных работ, достаточную для развития переработки макулатуры в высококачественный тарный картон. Диссертационная работа является актуальной, так как посвящена перспективной теме повышению механической прочности тарного картона.

Цель диссертации. Цель диссертационного исследования - это получение синтетического катионно-анионного полиакриламидного связующего и применение его для повышения механических свойств тарного картона в сухом состоянии.

Для достижения цели диссертации были поставлены и решены задачи:

1. Дать обоснование химического состава катионно-анионного полиакриламидного связующего.

2. Разработать рецептуру и режим получения синтетического связующего.

3. Испытать режим получения связующего в опытно-промышленных условиях и получить товарные продукты.

4. Исследовать свойства полученного связующего.

5. Исследовать влияния связующего на свойства массы из макулатуры МС-5Б при применении самостоятельно и с катионными функциональными химикатами.

6. Совершенствовать технологию повышения физико-механических свойств тарного картона из макулатуры с применением связующих.

7. Провести опытно-промышленные испытания упрочняющей эффективности связующего в технологии тарного картона из макулатуры.

Научная новизна. В диссертации получены следующие новые данные:

- впервые проведены исследования по получению синтетического связующего с заданными свойствами на основе мономеров акриламида, диметилдиаллилам-мония хлорида и итаконовой кислоты, изучены его свойства и закономерности влияния на качество макулатурной массы и тарного картона;

- установлены пределы значений электрического потенциала связующего, 70-80 мВ, и его катионной потребности, 3-5 мг-экв./л, при pH бумажной массы 6,57,5;

- показано, что электрокинетический потенциал массы из вторичного волокна увеличивается, по мере повышения степени помола; удельное увеличение потенциала при размоле волокна составляет (-)1,63 мВ на 1 °ШР;

- получена зависимость электрокинетического потенциала массы из вторичного волокна от удельного расхода связующего;

- установлено, что лучшее качество подсеточной воды при изготовлении макулатурного тарного картона достигается при содержании в связующем катионных и анионных групп, соответственно, 12 и 2% от общей мольной массы мономеров.;

- показано, что совместное применение в массе из вторичного волокна связующего, фиксатора анионных частиц и сульфата алюминия улучшает обезвоживание бумажной массы, снижает содержание взвешенных частиц и концентрацию крахмала.

Практическая ценность. Для практического использования ценными являются:

- синтетические катионно-анионное полиакриламидные связующие «Уль-трарез DS», которые позволяют решать проблему повышения механических свойств тарного картона из макулатуры в сухом состоянии;

- технология применения связующих «Ультрарез DS» для повышения механических свойств тарного картона из макулатуры;

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования обсуждались и получили положительную оценку на научных и научно-технических конференциях «Химические процессы современной технологии ЦБП». С.-Пб., 2010; «Физикохимия растительных полимеров». Архангельск, 2011. «Современное оборудование и технологии изготовления бумажно-картонной продукции из макулатурного сырья. Производство гофрокартона и изготовление тары». Караваево, 2012.

Опытно-промышленные испытания и технико-экономическая оценка. Опытно-промышленные испытания технологии с использованием катионно-анионной полиакриламидной смолы проведены на предприятиях: ЗАО «Ярославская бумага», ООО «Сухонский ЦБК», ООО «Окуловская бумажная фабрика». Результаты положительные и подтверждаются актами - приложения А, Б и В.

Экономический эффект от внедрения результатов диссертации за 2009-2011 г. в ЗАО «Ярославская бумага» со�