В статье представлены гидрофобизирующие компоненты различной природы, используемые в производстве бумажной упаковки. Рассмотрен химический состав гидрофобизирующих материалов, влияющий на эффективность проклейки бумаги. Представлены наиболее перспективные гидрофобизаторы, такие как модифицированные крахмалы. Проанализирован химический состав крахмалопродуктов и его влияние на сорбционные и прочностные характеристики бумажной упаковки.
Ключевые слова:бумага, гидрофобизирующие материалы, модифицированный крахмал, химический состав, свойства.
Современное бумажное производство немыслимо без эффективного использования различных химических материалов. В способах производства влагопрочной бумажной упаковки возникает интерес к нахождению пути получения бумаги при минимальных затратах и повышенных физико-химических показателей. Для повышения механической прочности и снижения водопоглощения бумаги, используемой в производстве упаковки, на стадии ее изготовления в бумажную массу вводятся гидрофобизирующие материалы.
К числу проклеивающих веществ относят такие, которые сообщают бумаге водостойкость, а также и такие, которые связывают волокна между собой в бумажном листе и тем самым способствуют повышению сомкнутости и механической прочности бумаги, первые называют гидрофобизирующими, а вторые — связующими проклеивающими веществами. К гидрофобизирующим проклеивающим материалам относятся: обычная и модифицированная канифоль, парафин, горный воск, стеараты, силиконы, битум, латекс, синтетические клеи, квилон и некоторые другие. К связующим материалам относят: крахмал, его производные (модифицированный крахмал), животный клей, казеин, соевый протеин, производные целлюлозы (карбоксиметилцеллюлоза, метилцеллюлоза, диоксиэтилцеллюлоза), некоторые растительные камеди (манногалактаны), жидкое стекло, синтетические полимеры — поливиниловый спирт, поливинилацетат, полиакриламид, альгинаты и другие [1, 4].
Наиболее перспективными гидрофобизаторами являются модифицированные крахмалы. Это связано с наличием положительно и отрицательно заряженных групп в макромолекулах этих крахмалов, что позволяет обеспечить значительные экономические и экологические преимущества процессам бумажного производства, использующих эти крахмалы [2]. Крахмал является вспомогательным веществом в бумажной промышленности. Это связано с его уникальными функциональными свойствами, а также с низкой стоимостью, возобновляемостью сырьевых ресурсов и экологической чистотой.
Природный крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов: линейного — амилозы и разветвленного — амилопектина, общая эмпирическая формула которых — (C6H10О5). В зависимости от исходного сырья содержание амилозы составляет от 10 до 30 % [3, 7].
Химический состав крахмала показан на рисунках 1–2. Крахмал [C6H10O5]n состоит из: амилозы — 25 % ММ (32–160)·103 и амилопектина — 75 % ММ (100–1000) 103 [3].
Рис. 1. Амилоза [3]
Амилоза имеет линейное строение, D — глюкопиранозные остатки связаны гликозидными связями [4].
Рис. 2. Амилопектин [3]
Молекула амилопектина построена подобным образом, однако имеет в цепи разветвления, что создает пространственную структуру. В точках разветвления остатки моносахаридов связаны гликозидными связями. Между точками разветвления располагаются обычно 20–25 глюкозных остатков [9]. Амилозная фракция обладает большой силой связи при добавках в массу, но оказывает более слабое диспергирующее действие на пигменты.
Производство многих видов упаковочных бумаг предусматривает использование вторичного сырья — макулатуры. Макулатурную массу для изготовления целлюлозно-бумажных изделий необходимо подвергать облагораживанию. Материалы, получаемые из такого сырья, не обеспечивают достаточный уровень прочности, жесткости. Для устранения этих проблем использовались натуральные крахмалы, главный недостаток которых — большой расход на тонну продукции и замедление обезвоживания. Катионные крахмалы позволяют устраняют эти недостатки, потому что имеют прочную адсорбцию к волокну и хорошо удерживаются в массе, благодаря чему покрывают большую поверхность волокон и дают хорошее внутреннее сцепление при низком расходе. Катионные крахмалы являются эффективным средством удержания мелочи, наполнителей и вредной смолы, повышают заряд бумаги, придают необходимую степень гидрофобности.
Молекулы катионного крахмала, добавленные в суспензии 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 [4, 5]. Крахмальная проклейка значительно снижает впитываемость бумаги.
Катионный крахмал — замещенный крахмал, содержащий группы, способные придавать ему положительный заряд в водной среде при соответствующем значении pH. Чаще всего в целлюлозно-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. Катионизации достигают, например, присоединением хлорида3-хлор-2-гидроксипропилтриметил-аммония для получения катионных крахмалов с различными степенями замещения азотом. Степень катионного замещения крахмалов (маc. %азот/крахмал) может находиться в пределах от около 0,01 до около 0,2, предпочтительно между 0,02 и 0,15 [3, 9].
Так как гидрофобные группы катионного крахмала имеют низкое сродство с водной средой, то при добавлении их к воде, они показывают сильно выраженную тенденцию к «избеганию» контакта с молекулами воды. В присутствии твёрдых частиц, таких как целлюлозные волокна и наполнители, используемые в производстве бумаги, гидрофобный крахмал, адсорбируется на этих частицах.
Анионный крахмал — замещенный крахмал, содержащий группы, способные придавать ему отрицательный заряд в водной среде при заданном значении рН. Удерживание анионного крахмала на волокнах — за счет комплексообразования с алюминием обычно в слабокислой среде [3, 8].
Вероятно, что взаимодействие крахмала с целлюлозными волокнами протекает по механизму мозаичного сцепления: полимерные цепи положительно заряженного крахмала подобно элементам мозаики оседают на волокнах и частицах наполнителя, тем самым перезаряжая лишь отдельные области. Взаимодействие участков с противоположным зарядом приводит к мозаичному сцеплению частиц с образованием макрофлокул.
В последнее время появляется информация об использовании комбинаций катионных и анионных крахмалов, что позволяет дополнительно увеличить механическую прочность бумаги, экономить химикаты, повысить удержание волокна на формующей части бумагоделательной машины.
Предпочтительным является использовать катионный крахмал в сочетании с карбоксиметилцеллюлозой, поскольку два данных полимера, как было обнаружено, хорошо взаимодействуют друг с другом, давая бумагу с хорошей прочностью при низкой стоимости [5, 6]. Карбоксиметилцеллюлоза применяется обычно в виде натриевой соли. Она получается действием монохлоруксусной кислоты на алкилцеллюлозу.
Возникает целое направление промышленности — создание и производство высокоэффективных, отвечающих экологическим требованиям модифицированных крахмалопродуктов, предназначенных для целлюлозно-бумажного производства.
В России появились фирмы, такие как ОАО «Ибредькрахмалпатока» и ОАО «Крахмалопаточный завод «Новолянский», выпускающие низкозамещенные катионные крахмалы.
В настоящее время многие фирмы предлагают специализированные виды крахмала и гидрофобные добавки на его основе, обеспечивающие значительный рост адгезионной прочности, а также снижение впитываемости при использовании макулатурного сырья в производстве бумажной упаковки, однако при рассмотрении эффективности их применения необходимо проанализировать химический состав, применяемых гидрофобизаторов и их механизм взаимодействия с целлюлозой и другими связующими материалами.
Литература:
1. Гурьев А. В. [Электронный источник]: Практикум по технологии бумаги: Учебное пособие.– Режим доступа: http://wood.nglib.ru/book_view.jsp?idn=006673&page =4&format =free
2. Все о модифицированных крахмалах [Электронный источник]: — Режим доступа: http://kmv.com.ua/vse %20o %20mod1.html
3. Биоорганическая химия [Электронный источник]: Полисахариды. Крахмал, Целлюлоза.– http://xn----7sbb4aandjwsmn3a8g6b.xn--p1ai/theory/chemistry/biochemistry/polysaccharides.html
4. 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; URL: www.science-education.ru/120–16572 (дата обращения: 20.04.2015).
5. 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.
6. Мишурина О. А., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р., Ершова О. В. Исследования качества исходного сырья на прочностные свойства картонных втулок // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 1. С. 254; URL: www.science-education.ru/115–12226 (дата обращения: 21.04.2015).
7. Мишурина О. А., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р. Исследование влияние 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. Патент РФ № 2007145719/12, 11.05.2006. Легнерфельт Бьерн, Дольфф Элизабет, Олауссон Ян. Способ получения бумаги и бумага, полученная данным способом // Патент России №.2388863 2006.
9. Хованский В. В., Дубовый В. К., Кейзер П. М., Применение химических вспомогательных веществ в производстве бумаги и картона. Учебное пособие, Санкт- Петербург 2013 г. С. 7–8.
