Сравнение функциональных свойств химических вспомогательных средств и рекомендации по их промышленному использованию

Date: 2015-10-07; view: 428.

O O

H H

| |

R₁–C=O + HO–R₂ → R₁–С–O–R₂

|

ОН

или сложная эфирная связь:

|| ||

R₁–C–OH + HO–R₂ → R₁–С–O–R₂ + H₂O

где R₁ и R₂ – фрагменты макромолекул целлюлозы, гемицеллюлоз или лигнина.

Энергия ковалентной связи в среднем в 5–6 раз превышает энергию водородной, поэтому вполне обоснованно можно предположить, что ковалентные связи, возникающие между целлюлозными волокнами, имеют достаточно большое значение в образовании целлюлозного композиционного материала с высокой структурной прочностью.

Знание механизма процесса формирования структуры и, как следствие, прочности целлюлозных композиционных материалов позволяет целенаправленно осуществлять управление их качеством в технологическом процессе производства. Этот принцип составляет суть нашего подхода к достижению цели настоящей работы.

При решении технологической задачи промышленного производства целлюлозных композиционных материалов для каждого отдельного их вида необходимо определить не только набор ХВС, которые могут быть использованы для этой цели, но и разработать схему их использования, которая состоит в определении последовательности подачи ХВС в волокнистую массу, точек их дозировке в технологическом потоке предприятия, а также определении их расходов. При разработке технологии промышленного использования ХВС удобно пользоваться следующей схемой, учитывающей их фундаментальные свойства:

Очевидно, что для использования определенного набора из нескольких видов ХВС обязательно следует учитывать их взаимное влияние друг на друга. При совмещении одних видов ХВС с другими в характере их влияния на свойства целлюлозных композиционных материалов может наблюдаться как синергизм, так и антагонизм.

Так, NaКМЦ ввиду его анионного характера наиболее эффективен при его использовании в сочетании с катионными веществами, например, сульфатом алюминия, так как при их взаимодействии в водной среде образуются малорастворимые вещества катионного характера (при избытке Al₂(SO₄)₃), способные эффективно осаждаться на отрицательно заряженном целлюлозном волокне:

В некоторых же других случаях одновременное присутствие в волокнистой массе двух и боле видов ХВС может вызвать их антагонизм. Такое явление может наблюдаться, например, при одновременном присутствии в волокнистой массе гидрофобизирующих частиц ДАК и соединений алюминия, например, того же сульфата алюминия. При этом гидрофобизирующая эффективность ДАК может резко упасть, очевидно, из-за изменения z-потенциала волокна и нарушения процесса адсорбции на нем частиц ДАК, а также, возможно, нарушения протекания химической реакции ДАК с целлюлозой. Влияние же небольших количеств соединений алюминия на гидрофобизирующую эффективность ДАК, наоборот, положительно, очевидно, из-за связывания примесей анионного характера, присутствующих в волокнистой массе и ухудшающих процесс гидрофобизации волокна. Упомянутые примеси могут также отрицательно влиять на свойства катионного крахмала. Некоторые их виды, например, лигносульфонаты, способны существенно снизить эффективность процесса гидрофобизации целлюлозных композиционных материалов продуктами на основе канифоли при использовании в качестве коагулянта сульфата алюминия.

Некоторые виды ХВС без присутствия в волокнистой массе других их видов вообще не способны проявлять свою эффективность. Например, канифольные материалы не способны проявлять своих гидрофобизирующих свойств ни при каких условиях без присутствия в волокнистой массе соответствующих коагулянтов, в роли которых обычно выступают соединения алюминия. Гидрофобизирующие составы на основе ДАК наиболее эффективны, когда перед их подачей в волокнистую массу туда добавляется катионный крахмал. Причинами этому могут быть: повышение удержания мелкого волокна, на котором адсорбируется бóльшая часть частиц ДАК; связывание анионных загрязнений катионными группами крахмала без нежелательных изменений z-потенциала волокна; повышение адсорбционной способности волокна по отношению к дисперсным частицам ДАК на участках, где ранее адсорбировался катионный крахмал; возможная химическая реакция ДАК с крахмалом, адсорбированном на волокне.

При выборе схемы подачи ХВС в волокнистую массу важно точно установить их дозировку (расход), которая обычно выражается в килограммах ХВС на 1 тонну готового целлюлозного композиционного материала (иногда – на 1 т волокна, чаще всего тогда, когда в композицию материала не водится наполнитель). Понятно, что по экономическим соображениям желательно, чтобы расходы ХВС были наименьшими. В то же время слишком высокие расходы ХВС могут отрицательно сказаться как на качестве готового целлюлозного композиционного материала, так и на эффективности технологического процесса его производства. Например, повышенные расходы гидрофобизирующих веществ, коагулянтов и деаэраторов отрицательно влияют на механические свойства целлюлозных композиционных материалов. Повышенные расходы катионного крахмала при его подаче в волокнистую массу могут вызвать замедление обезвоживания при формовании целлюлозного композиционного материала из волокнистой суспензии и, таким образом, снизить производительность. Слишком большие расходы различного рода добавок катионного характера могут привести к перезарядке целлюлозного волокна, рост его z-потенциала и нарушение его адсорбционной способности. Поэтому при выборе схемы подачи ХВС необходимо четко установить оптимальный расход каждого их вида, причем делаться это должно с учетом особенностей используемого сырья (волокна, наполнителя, красителя) и технологического потока предприятия (характер производственной воды, степень замкнутости водооборота и пр.).

Типичная схема подачи ХВС в волокнистую массу, широко применяемая на многих российских предприятиях по производству упаковочного картона, следующая (последовательность подачи ХВС указана сверху вниз):

1. Катионный крахмал – 8 кг/т.

2. Омыленная канифоль – 6 кг/т.

3. Сульфат алюминия – 25 кг/т.

4. Катионный полиакриламид – 0,1 кг/т.

Ведущими зарубежными фирмами, такими, как “Hercules”, “BASF”, “Kemira” и др., для вышеупомянутого вида продукции наиболее часто используется следующая схема подачи ХВС:

1. Катионный крахмал – 8 кг/т.

2. Полиэтиленимин – 3 кг/т.

3. Деаэратор – 0,1 кг/т.

4. ДАК – 2 кг/т.

5. Полиамин – 3 кг/т.

6. Катионный полиакриламид – 0,1 кг/т.

Вторая схема позволяет получить продукцию более высокого качества, но и со значительно более высокой себестоимостью по причине использования дорогостоящих ХВС зарубежного производства. Оптимальным решением в этом случае может быть использование схемы подачи ХВС, имеющих невысокую стоимость и хорошую сочетаемость, то есть при одновременном присутствии в волокнистой массе проявляющие синергизм. А для этого необходимы тщательные научные исследования с последующими производственными испытаниями.