Перспективы использования модифицированного крахмала для улучшения эксплуатационных свойств бумаги и картона



В статье представлен анализ гидрофобизирующих форм модифицированного крахмала, используемого в производстве бумажной упаковки. Рассмотрены способы модификации крахмала. Проанализирован химический состав крахмалопродуктов и его влияние на сорбционные и прочностные характеристики бумажной упаковки.

Ключевые слова: бумага, гидрофобизирующие материалы, модифицированный крахмал, химический состав, свойства

Крахмал является одним из старейших и наиболее распространенных вспомогательных веществ, используемых в производстве бумаги и картона. Он один из основных связующих материалов, применяемых в бумажном производстве, и притом наиболее дешевый по сравнению с другими связующими [1, 2, 4, 5].

Основное направление применение крахмала — это повышение прочности бумаги (в особенности поверхностной прочности). Применение модифицированных крахмалов дает дополнительный эффект, связанный с повышением удержания ими мелкого волокна, наполнителя, оптически отбеливающих и проклеивающих веществ. Этот эффект выражается в снижении неравномерности свойств бумаги по сторонам листа, что особенно важно для тех видов продукции, у которых рабочими являются обе стороны, например, у бумаги для письма и печати. Добавка крахмала в массу снижает пылимость бумаги, повышает удержание наполнителей, улучшает и стабилизирует канифольную проклейку [2, 4, 5].

Производство многих видов упаковочных бумаг и картонов, как, например, картона для плоских слоев, бумаги для гофрирования и оберточной бумаги предусматривает использование макулатуры в качестве основного сырья. Этот ассортимент требует наименьших затрат на тонну продукции. Чтобы применять макулатурную массу в широком ассортименте целлюлозно-бумажных изделий, ее необходимо подвергать глубокому облагораживанию с высокой степенью восстановления бумагообразующих свойств, что требует больших капиталовложений. Материалы, получаемые из такого сырья, не имеют достаточного уровня прочности, жесткости и чистоты поверхности [6-10].

Многие годы для устранения этих проблем использовались натуральные крахмалы. Их основное преимущество — низкая стоимость, а главный недостаток — большой расход на тонну продукции и замедление обезвоживания. Катионные модификации крахмала позволили устранить эти недостатки [14]. Они имеют прочную адсорбцию к волокну и хорошо удерживаются в массе, благодаря чему покрывают большую поверхность волокон и дают хорошее внутреннее сцепление при низком расходе. В дополнение, катионные крахмалы являются эффективным средством удержания мелочи, наполнителей и вредной смолы. Если удержание катионных крахмалов в бумажном полотне достигает 95 %, то они ведут себя как полимерные флокулянты, что обычно характерно для низкомолекулярных катионных полимеров.

Катионный крахмал — замещенный крахмал, содержащий группы, способные придавать ему положительный заряд в водной среде при соответствующем значении pH. Технологией получения катионного крахмала является обработка крахмала соединениями аминного характера. Чаще всего в бумажной промышленности в качестве положительно заряженных групп катионных крахмалов используются четвертичные аммониевые группы (NH₄⁺). Положительно заряженная функциональная группа может дать слабую ионную связь с отрицательно заряженной целлюлозой [3, 12].

Катионизацию крахмала обычно проводят в водной суспензии в присутствии избытка гидроксида натрия или кальция. Для достижения высокой скорости алкилирования необходимо поддерживать высокую температуру, не допуская, однако, набухания и клейстеризации крахмала. Химическая модификация, как правило, осуществляется в водной среде. Вначале происходит набухание крахмальной гранулы, в результате которого в нее проникают свободные молекулы воды и молекулы растворенного в воде химического агента [11, 13]. Иногда в качестве растворителя используют органическое вещество при химической модификации.

Анионный крахмал, содержащий группы, способные придавать отрицательный заряд в водной среде при заданном значении рН, реже применяют при проклейке бумаги, из-за низкой степени его удержания на волокне. Удерживание анионного крахмала на волокнах бумаги осуществляется за счет комплексообразования с алюминием обычно в слабокислой среде. Катионный крахмал — вначале оседает и удерживается на волокнах за счет электростатического взаимодействия с отрицательно заряженной целлюлозой. Считается, что удерживание неионного (природного) крахмала происходит путем адсорбции на волокнах и установления дополнительных водородных связей.

Предполагают, что взаимодействие крахмала с целлюлозными волокнами протекает по механизму мозаичного сцепления: полимерные цепи положительно заряженного крахмала оседают подобно элементам мозаики на волокнах и частицах наполнителя, тем самым перезаряжая лишь отдельные области. Взаимодействие участков с противоположным зарядом приводит к мозаичному сцеплению частиц с образованием макрофлокул, относительно устойчивых к воздействию сил среза [12, 14].

Применяются катионные и анионные крахмалы для непосредственного введения их в бумажную массу, в том числе для и мелованных видов бумаги с различной степенью наполнения. А так же применяются специализированные катионные крахмалы для производства флютинга и тестлайнера из макулатуры, крахмалы для поверхностной проклейки различной вязкости (окисленные, карбоматные, катионные), пригодные в качестве связующих для пигментов, суспензионные крахмалы для обработки поверхности через распыление, клея для склеивания бумажных мешков.

В отличие от нативного крахмала, катионные крахмалы не только повышают прочность бумаги и картона, но при определенных условиях способны значительно повысить удержание мелочи на сетке БДМ и естественно снизить содержание взвешенных веществ в подсеточной воде, улучшить работу отстойников для избыточной оборотной воды, а также имеют ряд других преимуществ. Однако специфика бумажно-картонного производства настолько сложна, что на каждом конкретном предприятии уровень результатов от применения катионного крахмала может быть различен. Здесь важно учитывать все: концентрацию массы, степень ее загрязнения анионными и катионными примесями, степень прессования, вид волокон, основной желаемый эффект от применения добавки (повышение прочности, удержание мелкого волокна) и многое другое. Поэтому, как правило, для каждого конкретного потребителя катионного крахмала разрабатывается индивидуальная технология его применения с учетом конкретных целей и вида продукции.

Практический опыт показал, что наиболее часто катионные крахмалы применяются для решения следующих технологических проблем [11, 13]:

– при изготовлении флютинга и тестлайнера из 80 — 100 %-ной макулатуры для повышения сопротивления продавливанию, торцевому и плоскостному сжатию, а также сопротивлению сжатию кольца;

– для повышения прочности крафтлайнера и мешочной бумаги с целью снижения их массоемкости;

– для возможности повышения величины наполнения бумаги без снижения ее прочности.

Следует отметить, что при подборе крахмала с требуемой степенью замещения прежде всего необходимо определить главный ожидаемый эффект от его применения — повышение прочности или общего удержания и скорости обезвоживания.

Анализ последних исследований в области применения модифицированных форм крахмала в производстве целлюлозных материалов показал, что на основе крахмала можно создать полиэлектролитные флокулянты, если ввести в макромолекулы амилозы и амилопектина ионизируемые группы. Одновременно было установлено, что обработка крахмала окислителями, ферментами, прививка карбоксиметильных, карбонатных и оксипропильных групп могут существенно улучшить функциональные свойства нативного крахмала при склеивании, использовании для поверхностной проклейки и в качестве связующего в меловальных пастах [6-14]. Следовательно, возникает целое направление в промышленности — создание и производство высокоэффективных модифицированных крахмалопродуктов, предназначенных для целлюлозно-бумажного производства.

Выводы. Крахмал различного природного происхождения и его многочисленные модифицированные продукты был и остается самым востребованным химическим средством для упрочнения бумаги и картона. Катионно-модифицированные крахмалы позволяют создавать новые высокоэффективные композиции бумажной массы и являются наиболее актуальным и перспективным проклеивающими материалами, используемыми в современном бумажном и упаковочном производстве.

Литература:

1. Аким Э.Л. Синтетические полимеры в бумажной промышленности / Э.Л. Аким. М.: Лесная промышленность. — 1986. — 248 с.
2. Аким Э.Л. Обработка бумаги (основы химии и технологии обработки бумаги и картона). М., 1979.
3. Все о модифицированных крахмалах [Электронный источник]: — Режим доступа: http://kmv.com.ua/vse %20o %20mod1.html
4. Ермаков С.Г., Хакимов Р.Х. Технология бумаги. — Пермь: Пермский гос. Тех. Университет, 2002.
5. Леман Х., Рихтер Л. Материалы для переработки бумаги: Пер. с нем. С.В. Бабурина. — М.: Лесная промышленность, 1984. — 248 с.
6. Мишурина О.А., Тагаева К.А. Исследование влияния композиционного состава по волокну на влагопрочностные свойства исходного сырья при производстве картонных втулок // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. — 2013. — Т. 1. № 71. — С. 286-289.
7. Мишурина О.А., Чупрова Л.В., Муллина Э.Р. Исследование влияния химического состава углеводородной части различных видов целлюлозных волокон на физико-механические свойства бумаг для гофрирования //Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2013. № 8. С. 52-55.
8. Мишурина О.А., Чупрова Л.В., Муллина Э.Р., Ершова О.В. Исследование влияния качества исходного сырья на прочностные свойства картонных втулок // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 1. С. 254.
9. Мишурина О.А., Муллина Э.Р., Жерякова К.В., Корниенко Н.Д., Фёдорова Ю.С. Анализ влияния сорбционных свойств бумаги-основы на процесс адгезии при получении различных видов бумажной упаковки // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 6-2. С. 200-202.
10. Мишурина О.А., Муллина Э.Р., Жерякова К.В., Корниенко Н.Д., Фёдорова Ю.С. Перспективы использования влагопрочного картона и гофрокартона на рынке упаковочных материалов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 6-2. С. 203-205.
11. Михайлова О.С., Крякунова Е.В., Казаков Я.В., Дулькин Д.А., Канарский А.В. Влияние ферментативной обработки крахмала картофельного на физико-механические свойства бумаги // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. № 4. С. 203-207.
12. Муллина Э.Р., Мишурина О.А., Чупрова Л.В., Ершова О.В. Влияние химической природы проклеивающих компонентов на гидрофильные и гидрофобные свойства целлюлозных материалов // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. С. 250.
13. Производство модифицированных крахмалов [Электронный ресурс]: Основные направления применения модифицированных крахмалов — Режим доступа: http://chemanalytica.com/book/novyy_spravochnik_khimika_i_tekhnologa/06_syre_i_produkty_promyshlennosti_organicheskikh_i_neorganicheskikh_veshchestv_chast_II/5371
14. Mishurina O.A., Mullina E.R., Chuprova L.V., Ershova O.V., Chernyshova E.P., Permyakov M.B., Krishan A.L. Сhemical aspects of hydrophobization technology for secondary cellulose fibers at the obtaining of packaging papers and cardboards // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Т. 10. № 24. С. 44812-44814.