способ изготовления бумаги, устойчивой к загрязнению

Формула изобретения

Способ изготовления бумаги, устойчивой к загрязнению, включающий формование из растительных волокон бумажного полотна, пропитывание его составом на основе поливинилового спирта, сушку и последующее каландрирование, отличающийся тем, что в пропитывающий состав добавляют аммониевую соль хелата титана и молочной кислоты, используя поливиниловый спирт с весовой концентрацией менее 8%, а сушку бумажного полотна осуществляют при температуре не менее 100°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области целлюлозно-бумажного производства, в частности к способу изготовления бумаги, устойчивой к загрязнению, используемой для векселей, акций, сберегательных сертификатов, банкнот и т.д.

Известен способ изготовления бумаги, устойчивой к загрязнению, включающий подачу волокнистой суспензии на бумагоделательную машину, формование бумажного полотна, обработку бумажного полотна проклеивающим составом, нанесение на одну или обе стороны бумажного полотна прозрачного состава, включающего неокрашенный полиуретан с функциональными добавками, и последующую сушку (патент РФ №2138593, кл. D21H 21/40, 02.11.1996 г.).

Недостатком данного способа является необходимость использования многостадийной обработки, при которой бумажное полотно сначала обрабатывают проклеивающим составом, а затем на него наносят прозрачное покрытие. Кроме того, применяемый для нанесения прозрачного покрытия полиуретан является дорогостоящим продуктом и его использование в технологическом процессе приводит к удорожанию бумаги.

Также известен способ изготовления бумаги, устойчивой к загрязнению, заключающийся в том, что на бумагу после запечатывания наносят состав, содержащий простые или сложные эфиры целлюлозы (патент США №4830902, кл. В32В 3/00, 16.05.1989 г.).

Основным недостатком этого способа является то, что защитное покрытие наносят на бумагу после полной стадии запечатывания, что удлиняет процесс изготовления и повышает себестоимость готового изделия.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ изготовления бумаги, устойчивой к загрязнению, включающий формование из растительных волокон бумажного полотна, пропитывание его составом на основе поливинилового спирта, сушку и каландрирование (Выложенная заявка Германии №4040347, кл. D21Н 27/28, 17.12.1990 г.).

Недостатком способа является повышенный расход поливинилового спирта, необходимость снижения его степени полимеризации для получения растворов необходимой вязкости и невысокая устойчивость полученной бумаги к загрязнению. Кроме того, достигаемый в этом способе привес поливинилового спирта способствует снижению некоторых физико-механических показателей бумаги, например показателя сопротивления раздиранию и т.д.

Техническим результатом, достигаемым в заявленном техническом решении, является повышение устойчивости бумаги к загрязнению при сохранении ее высоких физико-механических показателей.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления бумаги, устойчивой к загрязнению, включающем формование из растительных волокон бумажного полотна, пропитывание его составом на основе поливинилового спирта, сушку и последующее каландрирование, в пропиточный состав добавляют аммониевую соль хелата титана и молочной кислоты, используя поливиниловый спирт с весовой концентрацией менее 8%, а сушку бумажного полотна осуществляют при температуре не менее 100°С.

Сущность способа заключается в следующем.

Осуществляют размол исходного волокнистого сырья, состоящего в основном из хлопковых волокон, приготовляют бумажную массу. В приготовленную бумажную массу добавляют наполнители (двуокись титана, мел, каолин и т.д.) и добавки для повышения прочности бумаги в сухом и мокром состоянии (натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы, альгинат натрия, крахмал, эпихлоргидринная смола и т.д.). Кроме того, в бумажную массу при необходимости добавляют вещества для внутримассной проклейки бумаги (димеры алкилкетена и т.д.), красители (прямые, кислотные и т.д.) и маслоотталкивающие добавки (перфторалкилфосфаты и т.д.).

Из приготовленной бумажной массы, разбавленной до нужной концентрации, формуют на круглосеточной или плоскосеточной бумагоделательной машине бумажное полотно.

Сформованное и предварительно подсушенное бумажное полотно пропускают через клеильный пресс или пропиточную ванну, где его обрабатывают составом, который содержит поливиниловый спирт (ПВС) с весовой концентрацией менее 8%, а также аммониевую соль хелата титана и молочной кислоты. Кроме того, пропиточный состав при необходимости содержит пластифицирующие добавки, такие как глицерин, этиленгликоли и т.д.

Желательно использовать ПВС со степенью гидролиза ацетатных групп более 95 мол. % и степенью полимеризации менее 3000. Еще более предпочтительно использовать ПВС со степенью гидролиза ацетатных групп более 98 мол. % и степенью полимеризации менее 2000. Можно использовать и ПВС с другими характеристиками.

Аммониевую соль хелата титана и молочной кислоты добавляют в пропиточный состав в виде водного раствора. Причем количество добавляемой соли по отношению к ПВС (в пересчете на двуокись титана) зависит от степени полимеризации и весовой концентрации ПВС и может изменяться в широких пределах.

Например, при использовании в пропиточном составе ПВС со степенью полимеризации от 1100 до 1200 с весовой концентрацией 4%, весовое отношение соли к ПВС (в пересчете на двуокись титана) не превышает 5%. Еще более предпочтительно, если оно будет не более 3%.

Если весовое отношение соли к ПВС превышает указанные значения, то наблюдается значительное снижение эффективности пропитки из-за повышения вязкости пропиточного состава.

Бумажное полотно, обработанное в клеильном прессе или пропиточной ванне, высушивают и пропускают через машинный каландр для обеспечения необходимой гладкости и сматывают в накат.

Процесс сушки обработанного пропиточным составом бумажного полотна осуществляют при температуре не менее 100°С, которая поддерживается, по крайней мере, в одной паре сушильных цилиндров или в аэрофонтанной сушке.

Необходимость нагрева бумажного полотна в сушильной части бумагоделательной машины до указанной температуры объясняется тем, что приводящее к необходимому эффекту химическое взаимодействие между ПВС и солью осуществляется в основном при повышенных температурах.

Соль, смешанная в водном растворе с ПВС, при обычной температуре практически не изменяет своих свойств, но приобретает необходимую активность при повышении температуры, когда структура хелата начинает разрушаться с образованием свободных радикалов, взаимодействующих с гидроксильными группами ПВС. Этот процесс значительно ускоряется при температуре не менее 100°С.

В качестве аммониевой соли хелата титана и молочной кислоты целесообразно использовать товарный продукт «Tyzor LA», поставляемый компанией «Du Pont». При совпадении свойств применяют и товарные продукты других изготовителей.

Для определения устойчивости бумаги к загрязнению применяют следующий метод.

Загружают в стальной барабан (внутренний объем - 0,0175 куб.м) 2 килограмма стеклянного бисера и грязевую смесь, состоящую из глины (0,3 г), этилового спирта (0,5 мл), соевого (0,48 мл) и оливкового масла (0,46 мл). Приводят барабан во вращение от электропривода (5 минут, 60 об/мин) для равномерного распределения грязевой смеси по поверхности стеклянного бисера.

Наклеивают приготовленные для испытания образцы бумаги верхней и сеточной стороной с помощью двухсторонней липкой ленты на внешнюю поверхность цилиндра из поливинилхлорида (вес - 0,6 кг, толщина стенок - 4 мм) и укладывают указанный цилиндр поверх загрязненного стеклянного бисера внутри стального барабана.

Барабан вращают 15 минут в каждом направлении, после чего вынимают полимерный цилиндр и осторожно отклеивают с его поверхности испытуемые образцы. Устойчивость образцов бумаги к загрязнению оценивают по изменению ( L*) показателя яркости L* до и после загрязнения, измеренного на спектрофотометре «Eirepho 3000». Кроме того, определяют относительную устойчивость бумаги к загрязнению по следующей формуле:

Z=100( L*контр- L*тест)/ L*контр, где

Z - относительная устойчивость бумаги к загрязнению, %;

L*контр - разность яркости контрольного образца бумаги до и после загрязнения;

L*тест - разность яркости тестовых образцов бумаги до и после загрязнения.

Показатель «Z» в вышеуказанной формуле характеризует, на сколько повышается устойчивость к загрязнению тестовых образцов бумаги в сравнении с контрольным образцом. В соответствии с методикой расчета любой образец может быть выбран в качестве контрольного. При этом «Z» указанного образца принимают равным нулю.

Процесс измерения осуществляют при следующих настройках спектрофотометра: источник освещения - D65, угол наблюдения - 10°, апертура - 40 мм, фильтр - UVINC.

Примеры осуществления заявленного способа.

Пример 1

Осуществляют размол хлопкового волокнистого сырья и приготавливают бумажную массу необходимой концентрации. В эту массу на разных стадиях подготовки вводят, считая на вес абсолютно сухого волокна, 5% двуокиси титана, 2% эпихлоргидринной смолы и 2,3% натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы. Из приготовленной бумажной массы на круглосеточной бумагоделательной машине формуют бумажное полотно с остаточным влагосодержанием 7% и массой квадратного метра 85 г.

Полученную бумагу испытывают на устойчивость к загрязнению и физико-механические показатели. Результаты испытания показаны в таблице.

Пример 2

Бумагу, изготовленную в примере 1, обрабатывают пропиточным составом, содержащим 4% (вес.) ПВС со степенью полимеризации 1200 (степень замещения ацетатных групп не менее 99,0%), 1% «Tyzor LA» от веса ПВС (в пересчете на двуокись титана), 4% (об.) глицерина.

Бумагу обрабатывают методом погружения при температуре пропиточного состава 40-45°С и сушат 1 минуту при 120°С. Пропитанные образцы бумаги испытывают на устойчивость к загрязнению и физико-механические показатели. Результаты испытания показаны в таблице.

Пример 3

Бумагу, изготовленную в примере 1, обрабатывают так же, как и в примере 2, с той разницей, что «Tyzor LA» добавляют в пропиточный состав в количестве 2% от веса ПВС (в пересчете на двуокись титана). Температура пропиточного состава и режим сушки такие же, как в примере 2.

Пропитанные образцы бумаги испытывают на устойчивость к загрязнению и физико-механические показатели. Результаты испытания показаны в таблице.

Пример 4

Бумагу, изготовленную в примере 1, обрабатывают так же, как в примере 2, с той разницей, что «Tyzor LA» добавляют в пропиточный состав в количестве 3% от веса ПВС (в пересчете на двуокись титана). Температура пропиточного состава и режим сушки такие же, как в примере 2.

Пропитанные образцы бумаги испытывают на устойчивость к загрязнению и физико-механические показатели. Результаты испытания показаны в таблице.

Пример 5 (бумага, не устойчивая к загрязнению)

Бумагу, изготовленную в примере 1, обрабатывают так же, как в примере 2, с той разницей, что в пропиточном составе не используется «Tyzor LA».

Температура пропиточного состава и режим сушки такие же, как и в примере 2.

Пропитанные образцы бумаги испытывают на устойчивость к загрязнению и физико-механические показатели. Результаты испытания показаны в таблице.

Пример 6 (прототип)

Бумагу, изготовленную в примере 1, обрабатывают пропиточным составом, содержащим 15% ПВС со степенью полимеризации 400 (степень замещения ацетатных групп 98,0-98,8%), 4% (об.) глицерина.

Температура пропиточного состава и режим сушки такие же, как и в примере 2.

Пропитанные образцы бумаги испытывают на устойчивость к загрязнению и физико-механические показатели. Результаты испытания показаны в таблице.

Таблица
Результаты испытания образцов бумаги
Наименование показателя	Пример №
	1	2	3	4	5	6
Привес, %	-	7,3	7,7	7,2	8,3	16,5
Прочность на излом, число двойных перегибов (в поперечном направлении)	1900	4100	5600	5100	2900	2300
Сопротивление раздиранию (по Эльмендорфу), мН (среднее по двум направлениям)	980	874	850	824	880	804
Разрывная длина, м (среднее по двум направлениям)	6300	6600	6700	6800	5900	7200
L* (среднее по верхней и сеточной стороне)	32	19	17	14	28	23
Z,%	0	40,6	46,9	56,2	12,5	28,1

При вычислении относительной устойчивости бумаги к загрязнению (Z) в качестве контрольного варианта выбрали образец бумаги без пропитки, изготовленной в соответствии с примером 1.

Как видно из указанных примеров, использование в пропиточном составе аммониевой соли хелата титана и молочной кислоты позволяет значительно повысить устойчивость к загрязнению в сравнении с бумагой, не содержащей вышеуказанную соль (пример 5). Кроме того, заявленный способ позволяет получить бумагу с более высокой устойчивостью к загрязнению и более высокими физико-механическими показателями, такими как прочность на излом и сопротивление раздиранию, чем у прототипа (пример 6).

Образцы бумаги, изготовленные в соответствии с примерами 2-6, запечатали на пробопечатном устройстве «Prufbau» и они показали хорошие печатно-технологические свойства. Кроме того, полученные пробные оттиски через семь дней после запечатывания подвергли стирке в горячих растворах мыла и стирального порошка. При этом они показали хорошую стойкость красочного слоя к воздействию этих растворов.

Таким образом, заявленный способ является экономичным, позволяет получить бумагу с хорошей устойчивостью к загрязнению при сохранении высоких физико-механических показателей и не требует увеличения концентрации ПВС свыше 8% при одновременном снижении степени его полимеризации с целью обеспечения необходимой вязкости пропиточного состава.