Удержание пигментов

Категория:
Полуфабрикаты из бумаги


Удержание пигментов

Удержание характеризуется количеством удержанного наполнителя, выраженным в процентах от количества его, введенного в массу. Высокий процент удержания желателен для понижения потери пигментов, особенно таких дорогих, как например, двуокись титана и сульфид цинка. Однако высокого удержания пигмента еще недостаточно; он должен прочно закрепляться в бумаге, чтобы не происходило пыления во время каландрирования или печатания.

Удержание пигментов в бумаге составляло всего лишь около 25%, но с введением замкнутой системы использования оборотной воды на бумагоделательной машине удержание пигмента значительно возросло. В настоящее время удержание часто достигает 85—90% от количества прибавленного в ролл пигмента, если применяется эффективная система использования оборотной воды, хотя в среднем оно, вероятно, ближе к 60—70%.

Расчет удержания

Наиболее простой и точный метод расчета удержания заключается в определении золы в образце массы, взятом из ролла, и в образце готовой бумаги, взятом в конце бумагоделательной машины. После определения зольность пересчитывается на содержание наполнителя. Для определения процента удержания вес наполнителя в бумаге следует разделить на вес наполнителя в массе. Удержание, полученное этим путем, показывает количество наполнителя, которое потеряно при изготовлении бумаги. В случае необходимости можно также определить потерю по отдельным стадиям процесса, установив количество золы в образцах массы, взятой непосредственно до и после каждой стадии. Полученная указанным методом величина удержания включает содержание золы в волокне и в других веществах, входящих в композицию массы.

При определении золы посредством сжигания должна быть учтена возможность некоторой потери влаги пигментом, а также химические изменения в пигменте при высокой температуре, как указывается в описании метода определения золы (гл. XVI*).

Условия, влияющие на удержание

На удержание влияют многие факторы. Из практики известно, что удержание увеличивается с увеличением: 1) веса бумаги, 2) степени помола или рафинирования массы, 3) проклейки (хотя этот эффект обусловлен влиянием увеличенного количества примененного сернокислого глинозема), 4) длины волокна в массе, 5) степени рециркуляции оборотной воды и 6) температуры. Обычно удержание уменьшается по мере увеличения: 1) скорости бумагоделательной машины, 2) отсоса, 3) разбавления массы (хотя это положение спорно), 4) тряски, 5) отверстий сетки и 6) величины рН. Удержание может быть определено в лаборатории, но результаты производственных испытаний являются более показательными, так как при этом учитывается влияние многих условий работы бумагоделательной машины. Однако в лабораторных условиях были проведены значительные работы и некоторые из полученных результатов сообщаются ниже.

Кривая, иллюстрирующая влияние увеличения веса листа на удержание, заимствована из работы Виллетса Хаслам и Стилл получили

подобную же по форме кривую (хотя со значительно меньшим удержанием), показывающую влияние веса листа на удержание сульфида цинка. В общем удержание при массе из различных волокон убывает в следующем порядке: хлопок, сульфатная целлюлоза, сульфитная, древесная масса, т. е. в порядке уменьшения длины волокна. Хорошо гидратированная масса обычно удерживает пигмент лучше, чем слабо гидратированная. На рисунке показано влияние размола на удержание двуокиси титана. Подобные данные были опубликованы также для сульфида цинка. В этом случае кривая имела очень резкий перегиб при общем удержании от 18 до 20%. Увеличение удержания, происходящее по мере размола, может быть объяснено увеличением поверхности, которая способна адсорбировать наполнитель, или тем фактом, что сечение капилляров между волокнами в листе убывает и, таким образом, лист действует, как более эффективный механический фильтр.

Увеличение добавки пигмента в массу обычно приводит к понижению удержания. Единственным исключением является сульфат кальция, при котором наблюдается обратное явление. Если бы удержание зависело преимущественно от факторов фильтрации, то при увеличенном количестве пигментов можно было ожидать повынения удержания. Этого, однако, не наблюдается, поэтому становится очевидным, что для удержания имеют большее значение какие-то иные факторы. С другой стороны, удержание незначительно при малых добавках наполнителя вследствие высокой степени разбавления. Понижение концентрации массы обычно вызывает понижение удержания. Однако при массе высокого помола удержание наполнителя становится относительно независимым от разбавления; оно даже немного повышается с понижением концентрации.

Теории удержания

Существовал ряд различных теорий удержания наполнителей. Удержание объясняли: 1) задержкой части пигмента в капиллярах, между волокнами, то есть фильтрацией, 2) механическим закреплением пигмента в поврежденных местах стенок волокон, 3) адсорбцией на поверхности волокон, 4) капиллярным притяжением в порах волокна, 5) диффузией во внутренний канал волокна, 6) совместной флокуляцией пигмента со смоляным осадком на обрывках волокна. В противоположность силе удержания, имеется сила, стремящаяся удалить наполнитель из листа. Эта сила— скалывающее напряжение, возникающее при стремительном движении воды через массу во время формования бумаги на сетке машины.

Основными теориями, объясняющими удержание, являются две: механическая и коллоидная. Эти теории базируются на сравнении относительного значения адсорбционных и механических сил в удержании наполнителя в бумаге. Очень вероятно, что удержание является результатом сочетания механических и коллоидных сил.

Механическая теория удержания. Раньше считали, что удержание— явление главным образом механическое. Это подтверждали работами, показывающими, что удержание больше при наполнителях с большей величиной частиц . Вероятно, относительно грубые наполнители (например, тальк или каолин) удерживаются главным образом посредством фильтрации. Даже тонкие наполнители могут частично удерживаться фильтрацией, если они флокулированы сернокислым глиноземом, в результате чего их частицы укрупняются. Однако влияние фильтрации незначительно в системах, которые состоят только из целлюлозы и наполнителя — без сернокислого глинозема, крахмала, смолы и т. д. Этого можно было ожидать, так как частицы наполнителя при этих условиях имеют значительно меньшие размеры, чем поры бумаги. Кроме того, наполнитель и волокна обычно имеют один и тот же электростатический заряд (отрицательный) и способны отталкиваться друг от друга. В результате большая часть наполнителя отфильтровывается вместе с отходящей водой. Действительно, разбавленные, хорошо диспергированные суспензии некоторых наполнителей проходят через обычную фильтровальную бумагу, и это свидетельствует о неэффективности простой фильтрации.

Увеличение удержания, обычно наблюдаемое при увеличении веса бумаги, рассматривается как механическое явление, вызываемое более высокой фильтрационной способностью толстого слоя волокнистого материала. Однако толстый слой волокнистого материала замедляет скорость обезвоживания, что само по себе увеличивает удержание наполнителя. В связи с этим увеличение удержания при увеличении веса бумаги может быть объяснено изменением скорости обезвоживания.

В настоящее время большинство химиков считает, что фильтрация является менее важным фактором, чем коллоидные явления. Альберт на основании данных других исследователей показал относительную важность фильтрации и адсорбции.

Из данных таблицы следует, что при применении небеленой целлюлозы — непроклеенной, без глинозема, удержание каолина с тонкодисперсными частицами было низким. Добавление сернокислого глинозема увеличило удержание каолина при всех размерах частиц, но особенно большое увеличение было получено при малых частицах каолина. Применение размолотой, хорошо проклеенной массы вызвало сравнительно небольшое различие в удержании каолина с разной величиной частиц.

Коллоидная теория удержания. Для некоторых наполнителей, как например сульфида цинка и двуокиси титана, имеющих очень малые частицы, характерно, однако, высокое удержание . Удержание этих пигментов не определяется полностью механической фильтрацией. То, что эти тонкодисперсные наполнители часто удерживаются лучше, чем грубые, свидетельствует скорее о коллоидном, чем о механическом характере удержания. В настоящее время известно, что в удержании сернокислый глинозем играет главную роль. При добавлении сернокислого глинозема коллоидно-химические факторы становятся преобладающими. Примером коллоидного явления служит флокулирование частиц пигмента, проявляющееся в увеличении их размеров.

Флокулирующее действие иона алюминия на коллоиды хорошо известно, и влияние его на пигменты можно легко продемонстрировать. Например, чистая взвесь двуокиси титана проходит через очень плотную фильтровальную бумагу, но при обработке этой взвеси сернокислым глиноземом пигмент удерживается на фильтровальной бумаге и фильтрат, проходящий через бумагу, становится прозрачным. Сернокислый глинозем особенно влияет на каолин, понижая в нем концентрацию адсорбированных ионов и количество поглощенной воды, что приводит к увеличению размера частиц каолина. В результате этого частицы пигмента легче задерживаются во влажном листе на бумагоделательной машине. Сернокислый глинозем наиболее эффективно повышает удержание тонкодисперсных пигментов.

При действии сернокислого глинозема более важной, чем сам глинозем, является гидроокись алюминия, образующаяся при его гидролизе. Эта гидроокись адсорбируется на отрицательно заряженных волокнах, придавая им положительный заряд, который притягивает и удерживает отрицательно заряженные частицы пигмента. Вебер и Шоу – установили, что недостаточное количество гидроокиси алюминия в бумаге, заметно понижает удержание двуокиси титана.

Хаслам и Стилл наблюдали под микроскопом прохождение разбавленной суспензии сульфида цинка мимо волокон, подвешенных на небольшом крючке в капиллярной трубке, и пришли к заключению, что частицы пигмента сильно притягиваются волокном за счет совместной флокуляции. Другими словами, притяжение поверхностью волокна частиц пигмента является результатом действия внутренних сил, аналогичных силам, действующим при обычной флокуляции. Эти силы относительно невелики, и, следовательно, пигменты достаточно легко удаляются из бумаги при формовании ее, что вызывает двухсторонность бумаги, так как пигмент удаляется преимущественно с сеточной стороны листа, Кроме того, фибриллы и обрывки волокон часто содержат более значительное количество пигмента, чем сами волокна, а так как они отсасываются из бумаги, то в результате создается двухсторонность. Наряду с кофлокулированным пигментом Хаслам и Стилл также наблюдали наличие «механически прикрепленного» пигмента внутри канала волокна. Этот пигмент удерживается в бумаге при повторной промывке и в бумагах, наполненных сульфидом цинка в лабораторных условиях; содержание его может достигнуть постоянной величины, примерно равной 50% от количества пигмента, прибавленного в массу для наполнения. Количество механически прикрепленного пигмента может быть увеличено размолом.

Возможно, что целлюлозные волокна обладают способностью удерживать только такое количество пигмента, которое соответствует коллоидным силам. Это могло бы объяснить тот факт, что удержание падает по мере увеличения количества прибавляемого пигмента. Фэар считает, что в замкнутой системе первая порция бумаги, полученная на бумагоделательной машине, может удерживать только 20—30% наполнителя; дальше удержание возрастает до 50—60%. Низкое начальное удержание может характеризовать количество наполнителя, удерживаемое коллоидными силами. Разность между этим количеством и конечным удержанием характеризует эффект фильтрации.

Влияние порядка добавления наполнителя и количества сернокислого глинозема

Добавление наполнителей должно предшествовать добавлению сернокислого глинозема, чтобы создать условия для равномерного распределения пигмента в массе до флокуляции, вызываемой глиноземом. Лучших результатов достигают при добавлении сернокислого глинозема в состоянии максимального разбавления массы, обеспечивая достаточное время для флокуляции наполнителя до формования бумаги . На некоторых фабриках получают лучшие результаты, прибавляя сернокислый глинозем непосредственно перед направлением массы в напорный ящик бумагоделательной машины. При прибавлении наполнителя после сернокислого глинозема удерживаемость становится низкой, хотя непрозрачность на единицу пигмента, фактически находящегося в бумаге, при этом, очевидно, наивысшая .

Имеется, вероятно, оптимальное количество сернокислого глинозема, обеспечивающее максимальное удержание. Биллете установил, что наиболее эффективным при титановых пигментах является добавление 3°<6 сернокислого глинозема. Хаслам и Стилл также установили, что 3% сернокислого глинозема являются наиболее эффективным количеством при сульфиде цинка. Брехт установил, что оптимальное количество—3% сернокислого глинозема, но Рошир нашел наиболее эффективным добавление 5% сернокислого глинозема, когда рН на уровне 4,6 поддерживался постоянным. Рошир также установил, что рН оказывает значительное влияние на удержание даже при псстоянном количестве сернокислого глинозема. Сернокислый глинозем без щелочи, вероятно, не очень эффективен, так как в этом случае не образуется гидроокиси алюминия. Оптимальный рН, вероятно, находится между 5 и 6.

Влияние свойств пигментов на удержание

Увеличенное удержание обычно определяется двумя физическими свойствами пигмента: низким удельным весом и низкой растворимостью в воде. Бланфикс, имеющий высокий удельный вес (около 4,5), плохо удерживается и дает более глубокую двухсторонность, чем более легкие пигменты, как например каолин. Высокая плотность не всегда является наиболее важным фактором, но для сульфата бария она имеет важное значение. Растворимые наполнители, как например сульфат кальция, имеют низкое удержание.

В основном каолин удерживается вполне хорошо, но обычно имеет более низкое удержание, чем двуокись титана и асбестин. Форма частиц сказывается при наполнении тальком, так как волокнистые тальки лучше удерживаются в бумаге, чем неволокнистые тальки и другие наполнители. Размеры частиц имеют важное значение, причем большие частицы не всегда благоприятны для высокого удержания. Так, например, двуокись титана часто удерживается лучше, чем каолин, хотя имеет даже меньшие частицы . По Сиру, сульфид цинка при меньших частицах удерживается лучше, чем при больших. Меньшие частицы каолина часто удерживаются лучше, чем крупные, но наивысшее удержание обычно получается при частицах средних размеров. Пигменты с крупными частицами почти полностью удерживаются фильтрацией, тогда как маленькие частицы в большей степени удерживаются адсорбцией. По Давидсону, карбонат кальция дает лучшие результаты при средних размерах частиц — от 10 до 40 так как тонкие частицы создают затруднения из-за пыления, а крупные частицы удаляются при очистке массы.

Практически можно получить высокое удержание пигментов в широких пределах размеров частиц, хотя, как указано выше, механизм удержания при этом будет различен.

Влияние других веществ на удержание

Канифольный клей относительно мало влияет на удержание. Однако при применении сернокислого глинозема канифольный клей увеличивает удержание, хотя, по имеющимся данным.

тальк и двуокись титана являются исключением. В тех случаях, когда канифольный клей увеличивает удержание, это, вероятно, является следствием образования осадка смолы, поскольку добавление клея без прибавления сернокислого глинозема не улучшает удержания.

Как уже сообщалось, воздействие крахмала на удержание может быть положительным и отрицательным, но в основном он оказывает незначительный эффект по сравнению с сернокислым глиноземом.

Коллоидный животный клей увеличивает удержание из-за фло-кулирующего действия, оказываемого на частицы пигмента. Для увеличения удержания широко применяется специальный животный коллоидный клей — клей Свеена. Другими веществами, повышающими удержание, является силикат и алюминат натрия, но они эффективны только при применении совместно с сернокислым глиноземом.

Распределение наполнителей в бумаге

В бумаге много пигмента фиксируется на поверхности волокон, хотя в бумагах даже с сильным наполнением волокна ни в коей мере не покрыты наполнителем полностью. Некоторые тонкодисперсные наполнители могут проникать во внутреннюю полость или канал волокна. Хаслам и Стилл считают, что бумаги фабричной выработки, наполненные сульфидом цинка, в канале волокна могут содержать свыше 30% пигмента, но это, вероятно, не имеет места при грубых пигментах.

Большинство сильно наполненных бумаг — двухстороннее: сеточная сторона обычно содержит меньше пигмента, чем сторона, прилегающая к сукну. Шульц исследовал ряд наполненных бумаг посредством разделения их на три слоя. При этом он установил, что большинство бумаг содержало наивысший процент пигмента на верхней стороне, немного бумаг содержало больше пигмента на сеточной стороне, а в некоторых бумагах наполнитель распределился равномерно по всей толщине листа. В одной бумаге сторона, прилегающая к сукну, содержала 27% золы, тогда как сеточная сторона содержала ее только 6,5%; для анализа пробы соскабливали с двух сторон листа бритвенным лезвием. Как показал Ханзен , в лабораторных отливках наполнитель распределяется несколько иначе: в наименьшем количестве он содержится на стороне, прилегающей к сукну, и в наибольшем количестве — в середине листа.

Мон установил, что распределение пигмента в бумаге зависит от типа и метода подготовки массы. Он нашел, что бумаги, которые имеют меньше пигмента на стороне, прилегающей к сукну, обычно не содержат древесной массы; кроме того, эти бумаги были высоко проклеены и изготовлены из хорошо размолотой массы.

С другой стороны, виды бумаги, имеющие более низкий процент наполнителя на сеточной стороне, обычно изготовлены из массы, которая содержит много древесной массы; они имеют слабую проклейку и изготовлены на машине при высокой скорости. Двухсторонности бумаги содействуют два очень важных фактора: высокая скорость машины и усиленный отсос.

Во многих случаях желательно прибавление пигмента преимущественно на одну сторону листа. Одним из методов, которым это достигается, является мелование бумаги. Этот метод описан в главе XVIII*. В картоне с покрывными слоями, изготовляемом на круглосеточной машине, наполнители часто прибавляются в покрывные слои для увеличения непрозрачности и белизны наружного слоя и, следовательно, для белизны поверхности картона. Легче повысить белизну картона путем прибавления пигмента в наружные слои, чем наполнением всех слоев .


Реклама:



Читать далее:



Статьи по теме:


Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум