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.
Российский рынок бумаги и картона динамично развивается, но потребности в производстве влагостойкой упаковки достаточно велики. Эти виды включают бумажные мешки, носимые сумки, виды картона для упаковки молочных продуктов, обёртку для замораживаемых продуктов, обёртку для мяса и подносы для фруктов. Однако, что касается влагопрочного картона, то практики его производства в России практически нет. А потребности рынка огромные: упаковка для замороженных продуктов, полуфабрикатов, рыбы, охлажденного мяса, птицы, транспортировка и хранение овощей и фруктов при относительной влажности 85–95 %, хранение промышленной продукции в холодных складах, в том числе открытых, в условиях перепада температур, повышенной влажности и конденсата [7, 9, 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 [1, 3, 4, 15].
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 [5]. К гидрофобизирующим проклеивающим материалам относятся: обычная и модифицированная канифоль, парафин, горный воск, стеараты, силиконы, битум, латекс, синтетические клеи 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 [4, 14].
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 [7, 8, 15].
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 [13, 14].
Катионный крахмал — замещенный крахмал, содержащий группы, способные придавать ему положительный заряд в водной среде при соответствующем значении pH. 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 [12, 14].
Технологией получения катионного крахмала является обработка крахмала соединениями аминного характера. В производстве бумаги применяются два типа катионных простых эфиров крахмала: третичные аминоалкиловые эфиры и четвертичные аммониевые эфиры крахмала, которые получают, используя в качестве реагентов в частности N,N-диэтил-2-хлорэтиламин и 3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмоний хлорид соответственно [12].
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 (табл.1).
Таблица 1
Удержание крахмала на сетке в зависимости от его вида
|
Добавка 1 % крахмала в массу |
Удержание крахмала, % при |
|
|
рН 4,5 |
рН 7 |
|
|
Неионный крахмал |
50 |
40 |
|
Анионный крахмал |
100 |
40 |
|
Катионный крахмал (имеет четвертичную аминную группу) |
100 |
100 |
Удерживание анионного крахмала на волокнах бумаги — 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. Крахмал с третичной группой при рН = 7 удерживается не более 40–50 % [14]. Считается, что удерживание неионного (природного) крахмала происходит путем адсорбции на волокнах и установления дополнительных водородных связей.
В настоящее время нативный крахмал в качестве связующего применяется крайне редко из-за присущих ему недостатков, отмеченных выше. Его повсеместно заменили модифицированными крахмалами различного вида.
В отличие от нативного крахмала, который удерживается в массе на 10–20 %, степень удержания катионных крахмалов достигает 95 %. 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 [6, 11]. Поэтому, как правило, для каждого конкретного потребителя катионного крахмала разрабатывается индивидуальная технология его применения с учетом конкретных целей и вида продукции.
На сложность выбора вида крахмала и технологии его применения косвенно указывает большое число параметров, подлежащих контролю в мокрой части бумагоделательной машины: проверяют рН, электропроводимость, содержание ионов Na, Ca, Al, катионную потребность, концентрацию растворенных органических и неорганических веществ, растворенный и удержанный крахмал, общее удержание, ХПК. При этом исследуется каждый вид целлюлозы, машинный бассейн, напорный ящик, воду и бумагу. Оценивается влияние на удержание крахмала вида волокна, рН, электропроводимости, катионной потребности [8, 9].
Серьёзным недостатком применения катионного крахмала является ограничение количества катионного крахмала, в котором он может использоваться. В результате добавления катионного крахмала к волокнам происходит нейтрализация анионного заряда на целлюлозных волокнах и наполнителях и, в конечном итоге, перезарядка, которая приводит к суммарному катионному заряду. Этого не следует допускать, поскольку перезарядка ведёт к резкому снижению производительности мокрой части бумагоделательной машины, ухудшению общего удержания и формования.
В настоящее время многие фирмы предлагают специализированные виды крахмала, обеспечивающие значительный рост не только прочности на разрыв и сопротивление излому, но особенно таких показателей, как сопротивление продавливанию, плоскостному и торцевому сжатию кольца, что особенно важно для флютинга и тестлайнера.
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. Ермаков С. Г., Хакимов Р. Х. Технология бумаги. — Пермь: Пермский гос. Тех. Университет, 2002.
4. Иванов, С. Н. Технология бумаги [Текст] / С. Н. Иванов. — М.: Лесная промышленность, 1970. — 700 с.
5. 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: 25.06.2015).
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., Ершова О. В., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р. Технологические решения по производству упаковочного картона с улучшенными влагопрочностными свойствами // Фундаментальные исследования. 2015. № 2–19. С. 4166–4170.
8. Мишурина О. А., Жерякова К. В., Муллина Э. Р. Химические аспекты влияния гидрофильных и гидрофобных компонентов на эффективность проклейки бумаги // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 6–1. С. 83–85.
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. Муллина Э. Р., Мишурина О. А., Нигматуллина Л. И., Ишкуватова А. Р. Влияние процесса вторичной переработки макулатуры на бумагообразующие свойства целлюлозного сырья // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 4–1. С. 32–34.
12. Патент РФ № 2007145719/12, 11.05.2006. Легнерфельт Бьерн, Дольфф Элизабет Элизабет, Олауссон Ян. Способ получения бумаги и бумага, полученная данным способом // Патент России №.2388863 2006.
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. 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.
15. Фляте, Д. М. Технология бумаги: учеб. для вузов — М.: Лесная промышленность, 1988. — 440 с.
