Влияние наполнителей

Категория:
Полуфабрикаты из бумаги


Влияние наполнителей

Наполнители прибавляют к бумаге для улучшения ее оптических и физических свойств. Конечной целью наполнения является увеличение непрозрачности и белизны бумаги; наиболее важной непосредственной задачей является улучшение гладкости, отделки и способности воспринимать печать, особенно после каландрирования. Бумага с наполнителями лучше воспринимает печать, так как частицы каолина легче смачиваются печатной краской, чем волокна; кроме того, каолин увеличивает количество капилляров в бумаге, притом более тонких.

Наполнители также увеличивают вес, улучшают мягкость и абсорбционные свойства бумаги. Применение наполнителей может иметь и специальное назначение. Так, например, карбонат кальция в папиросных бумагах регулирует скорость сгорания; уголь придает бумаге электропроводящие свойства.

Большое количество наполнителя в бумаге приводит к нежелательным явлениям, главное из которых заключается в понижении прочности бумаги и понижении проклейки. Обычно проклейка незначительно уменьшается при добавлении наполнителя до 10—15%. Большее количество наполнителя может значительно снизить проклейку; щелочные пигменты, как например, карбонат кальция, вредны даже в меньшем количестве. Наполнители также уменьшают объем, так как пигмент тяжелее волокна, и поэтому увеличивают вес бумаги больше, чем ее толщину. При сильном наполнении бумаги иногда наблюдается нежелательное явление — пыление наполнителя вследствие отделения его от поверхности листа, особенно во время каландрирования.

Диатомитовый силикат применяют в роллах для диспергирования смолы. Он также ускоряет обезвоживание на сетке бумагоделательной машины и в некоторых случаях увеличивает скорость удаления влаги при сушке. Диатомитовый силикат понижает плотность бумаги .

Наиболее правильным методом испытания неизвестного пигмента является сравнение его с известным пигментом в ручных отливках. Таким путем можно получить данные о влиянии этого пигмента на непрозрачность, белизну и поверхностные свойства бумаги. При этом может быть также получено некоторое представление об удержании пигмента, хотя обычно удержание в лабораторных условиях плохо согласуется с удержанием пигмента на бумагоделательных машинах. Обычные испытания самого пигмента (определение цвета, содержания песка, посторонних веществ, удельного веса, размера частиц и коэффициента преломления) полезны, но они не дают такого представления о качестве пигмента, как лабораторные испытания £ изготовлением ручных отливок. Абразивная способность наполнителей может быть определена на специальном аппарате. При помощи этого аппарата определяют потерю в весе куска стандартной сетки столовой бумагоделательной машины, непрерывно орошаемой взвесью пигмента при трении перфорированной колодкой, которая возвратно-поступательно движется по сетке .

Влияние на непрозрачность

Белые пигменты значительно усиливают непрозрачность и — одновременно — белизну средних сортов бумаги. Способность усиливать непрозрачность и белизну бумаги определяется величиной коэффициента светопреломления, отражения и абсорбции света пигментом. Усиление непрозрачности возможно и при применении красящих веществ, а также цветных пигментов, но эти вещества понижают белизну, так как непрозрачность определяется главным образом адсорбцией света. Способность белых пигментов повышать белизну и непрозрачность обусловлена свойством пигментов усиливать преломление и отражение света. Особо высокая непрозрачность при высокой белизне может быть получена путем применения красящих веществ в комбинации с белыми пигментами. В этом случае непрозрачность обусловлена сочетанием высокой адсорбирующей способности красителя и высокой преломляющей способности белого пигмента. По сравнению с белыми, тусклые и цветные пигменты могут придавать бумаге более высокую непрозрачность вследствие их большей способности поглощать свет, но они, конечно, не придают ей белого цвета.

Непрозрачность бумаги зависит от ее толщины, числа индивидуальных частиц, образующих лист, и коэффициента их светопреломления. Древесная масса менее прозрачна, чем беленая сульфитная целлюлоза, вследствие содержания в ней лигнина, но в основном непрозрачность ненаполненных бумаг зависит от различия в коэффициенте светопреломления воздуха и целлюлозы, который соответственно равен 1 и 1,53. В парафинированных бумагах непрозрачность зависит от различия коэффициентов преломления целлюлозы, парафина и воздуха, находящегося в порах, не заполненных парафином; эти коэффициенты соответственно равны 1,53; 1,43 и 1. Так как большинство пор в парафинированной бумаге заполнено парафином, а по коэффициенту преломления парафин и целлюлоза почти не различаются, то парафинированная бумага, не содержащая наполнителя, очень прозрачна. Чтобы быть эффективными в отношении непрозрачности, наполнители должны иметь коэффициент светопреломления, заметно отличающийся от коэффициента светопреломления окружающей среды. Для придания обычным бумагам непрозрачности применяются каолин и другие наполнители с относительно низким коэффициентом преломления. Однако Для таких бумаг, как например пергамин, промасленные или парафинированные бумаги, необходимо применение наполнителей с очень высоким коэффициентом преломления. Применение каолина для пергамина и подобных бумаг, изготовленных из массы высокого помола, не дает удовлетворительных результатов вследствие незначительного различия между коэффициентами светопреломления каолина и целлюлозы. Каолин также относительно мало влияет на непрозрачность промасленной и парафинированной бумаги, так как коэффициент преломления каолина лишь немного выше коэффициента преломления масла и парафина. То же наблюдается и в печатных бумагах, где частичное проникновение масла, входящего в состав печатной краски, вызывает понижение непрозрачности. Только пигменты с высокой способностью придавать непрозрачность (как, например, титановый и цинковый) способны устранить просвечиваемость бумаг, покрытых печатью.

Ниже приведены коэффициенты светопреломления ряда пигментов, обычно применяемых в бумажном производстве. Там же приведены коэффициенты светопреломления некоторых других веществ и волокнистых материалов, входящих в состав бумаги. Различием между коэффициентами светопреломления каолина и двуокиси титана объясняется эффективность последней, в 5—10 раз превосходящая эффективность каолина в отношении увеличения непрозрачности бумаги.

Способность пигментов придавать непрозрачность бумаге зависит также от их коэффициентов рассеивания (величины 5), которые входят в формулу, предложенную Кубельком и Мунком. Коэффициент рассеивания зависит от размера частиц пигмента, их формы и различия между его коэффициентом преломления и коэффициентом преломления окружающей среды. Стилл приводит следующие коэффициенты рассеивания (величины 5) для различных пигментов (см. главу XVI)*.

Абсолютных величин 5 для пигментов, однако, не существует , так как эти величины зависят от метода приготовления и применения пигмента.

По мере уменьшения размеров частиц непрозрачность возрастает, так как при этом возрастает число плоскостей, через которые свет должен проходить, преломляться и от которых он должен отражаться. Однако при уменьшении размера частиц коэффициенты рассеивания и отражения становятся явно оптимальными. Сойэр сообщает, что для частиц меньше длины волны света рассеивание увеличивается по мере увеличения размеров частиц, тогда как для частиц больше длины волны света отражение уменьшается по мере увеличения размеров частиц. Предельные размеры частиц, при которых достигается максимум поглощения при свете с обычной длиной волны, равны: минимальный— 0,1—0,2, максимальный — 0,5. Для окиси цинка Штутц и Пфунд установили оптимум рассеивания при величине частицы 0,24.

Для сульфида цинка оптимальный размер частиц порядка 0,25> . Важное значение имеет также степень агрегации частиц пигмента, так как всякая тенденция отдельных частиц коалесцировать в большие агрегаты будет сопровождаться соответствующим уменьшением числа преломляющих поверхностей пигмента.

Размол уменьшает непрозрачность бумаги. Однако можно усилить размол и в то же время сохранить непрозрачность бумаги, применив небольшое количество специальных пигментов. Этим путем может быть достигнут желательный эффект размола без понижения непрозрачности. В отношении непрозрачности некоторые наполнители более эффективны при добавлении в размолотую массу, чем в не-размолотую , так как легче увеличить непрозрачность просвечивающего листа, чем листа с довольно высокой начальной непрозрачностью. Например, добавка 2% двуокиси титана приводит к повышению первоначальной непрозрачности бумаги, равной 50%, до непрозрачности примерно 65%, а начальной непрозрачности 85% —только примерно до 90%. Однако повышеннуюэффективность при низкой начальной непрозрачности бумаги проявляют только пигменты с высоким коэффициентом преломления (например, двуокись титана и сульфид цинка); пигменты с низким коэффициентом преломления (например, карбонат кальция или каолин) такой эффективности не проявляют. Например, каолин совершенно неэффективен в пергамине. Рис. 57, заимствованный из опубликованной работы Виллетса, показывает влияние повышающихся количеств двуокиси титана на непрозрачность бумаги, изготовленной из неразмолотой и размолотой массы. Путем сочетания усиленного размола с пигментированием можно увеличить прочность и непрозрачность бумаги. Согласно Стиллу , сульфид цинка обладает непрозрачностью примерно в 10 раз большей, чем беленая сульфитная целлюлоза; содержание 10% сульфида цинка в бумаге из сульфитной целлюлозы наполовину уменьшает непрозрачность. Добавка примерно 0,5— 0,7% чистой двуокиси титана по непрозрачности эквивалентна увеличению веса 1 м2 бумаги на 35 г.

Влияние на белизну

Белые пигменты, как например, карбонат кальция, двуокись титана и сульфид цинка, очень сильно улучшают белизну и блеск бумаги. Эти пигменты часто применяют для того, чтобы повысить белизну темной бумажной массы. В производстве крашеных бумаг растворимые красящие вещества почти полностью заменили цветные пигменты, но, помимо отбелки, белые пигменты остаются единственным средством придания белизны бумажной массе.

Повышение белизны бумаги за счет наполнителя частично зависит от белизны пигмента, а также от размера частиц и кроющей способности пигмента. Если пигмент светлее массы, уменьшение размера частиц будет увеличивать белизну. Кривые показывают относительную белизну бумаги, полученную при различных пигментах . Так как действительная белизна двух каолинов, приведенных на диаграмме, была примерно одинакова, различие в их влиянии на белизну бумаги, вероятно, определялось различной величиной их частиц.

Осветляющий эффект, получаемый при данном пигменте, зависит от исходной белизны непигментированной бумаги. Первоначальная белизна массы, равная 50%, может быть повышена до белизны около 55%, если в бумагу добавить 2% двуокиси титана; но при первоначальной белизне массы, равной 90%, такая добавка двуокиси титана повышает белизну лишь до 91%.

Сильное каландрирование значительно понижает белизну высокозольных бумаг, особенно если они наполнены каолином или — в большей степени — тальком. Эти бумаги при каландрировании могут потемнеть. Белые пигменты увеличивают сопротивление бумаги старению, так как при старении пигмент меньше изменяется в цвете, чем целлюлозные волокна.

Влияние на гладкость и другие свойства

Обычно наполнители увеличивают гладкость каландрированных бумаг благодаря заполнению минеральным веществом углублений в поверхности бумаги, что достигается в результате воздействия каландровых валов на частицы наполнителя. С другой стороны, Брехт доказал, что гладкость некаландрированных бумаг снижалась пропорционально количеству наполнителя в листе, за исключением бланфикса, который увеличивал гладкость. Шоу и Симмонс установили, что осажденный карбонат кальция и каолин дают одинаковую гладкость, тогда как природный карбонат кальция, двуокись титана и сульфид цинка дают бумагу пониженной гладкости.

Наличие каолина в поверхностном слое увеличивает абсорбцию масла, так как каолин более способен притягивать масло, чем более гидрофильная целлюлоза. Этот эффект зависит от фракционного состава частиц по размерам, гидратации частиц и других свойств каолина. Каолин также в заметной степени влияет на равновесное содержание влаги в бумаге. Благодаря влиянию наполнителя на гладкость, абсорбцию масла и содержание влаги бумага с наполнителем более пригодна для печати, чем бумага из 100% волокна. Шоу и Симмонс расположили различные пигменты по степени их влияния на увеличение впитывания масла в следующем, убывающем по значению, порядке: осажденный карбонат кальция, природный карбонат кальция, сульфид цинка, двуокись титана.

Влияние на прочность

Наполнители понижают прочность бумаги. Введение в композицию 10% каолина примерно на 20% понижает сопротивление продавливанию и в еще большей степени — сопротивление изгибу. Сопротивление раздиранию заметно не изменяется. Разные пигменты, по-видимому, неодинаково понижают прочность бумаги, хотя это обстоятельство является спорным. Лодж сообщает, что тальк понижает прочность в меньшей степени, чем каолин. Сравнивая титановый, цинковый и бариевый пигменты, Кроу-форд установил прогрессирующее понижение прочности при увеличении содержания золы в бумаге независимо от вида примененного пигмента, что представляется непонятным ввиду высокого молекулярного веса бариевого пигмента.

При высоком содержании наполнителя прочность бумаги значительно понижается. В таких случаях может оказаться необходимым применить меньше наполнителя или изменить композицию бумаги путем введения в нее большего количества более прочного волокна. По сравнению с пигментом низкой непрозрачности пигмент высокой непрозрачности заметно понижает прочность бумаги, так как для придания бумаге одной и той же степени непрозрачности и белизны требуется меньшее количество высоконепрозрачного пигмента. При пониженном содержании пигмента прочность бумаги снижается незначительно, так как наполнитель занимает меньший объем в листе и, следовательно, не создает заметных препятствий для связей между фибриллами.

Обладая высоким удельным весом, титановый и цинковый пигменты занимают меньший объем в бумаге, чем большинство других пигментов, при прибавлении их в одинаковом количестве. По данным Сиро , бумага, содержащая по весу 10% сульфида цинка, будет содержать по объему только 1,5% пигмента. Гибберд сообщает, что двуокись титана и каолин, по-видимому, вызывают примерно одинаковое понижение прочности бумаги при прибавлении их в массу в равных количествах по весу. Обычно бумаги, наполненные двуокисью титана, имеют более низкую зольность и более высокую прочность, чем бумаги, наполненные каолином, так как окись титана вводится в массу в относительно меньшем количестве. Пигменты с большой величиной частиц при высоком содержании их в бумаге вызывают разрушение волокна во время каландрирования.

Влияние на смолу

В процессе производства могут возникать затруднения, связанные с образованием пятен смолы и смоляного клея на бумаге. Для устранения этих явлений иногда применяют некоторые наполнители, например диатомитовый силикат и бентонит. Указанные наполнители адсорбируют небольшие частички смолы и препятствуют агломерации смолы в большие частицы, которые вызывают затруднения в производстве бумаги. Подобное назначение имеют наполнители и при переработке отходов асфальтированных бумажных ламинатов; в этом случае частички пигмента фиксируются на частицах асфальта, вследствие чего предупреждается агломерация этих частиц до размеров, вызывающих смоляные затруднения. С другой стороны, смоляные затруднения усиливаются при прибавлении щелочных пигментов, например карбоната кальция .


Реклама:



Читать далее:



Статьи по теме:


Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум