Анализ химического состава гидрофобизирующих материалов, используемых в производстве бумажной упаковки | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №9 (89) май-1 2015 г.

Дата публикации: 06.05.2015

Статья просмотрена: 206 раз

Библиографическое описание:

Жерякова К. В., Корниенко Н. Д. Анализ химического состава гидрофобизирующих материалов, используемых в производстве бумажной упаковки // Молодой ученый. — 2015. — №9. — С. 230-232. — URL https://moluch.ru/archive/89/17958/ (дата обращения: 22.10.2018).

В статье представлены гидрофобизирующие компоненты различной природы, используемые в производстве бумажной упаковки. Рассмотрен химический состав гидрофобизирующих материалов, влияющий на эффективность проклейки бумаги. Представлены наиболее перспективные гидрофобизаторы, такие как модифицированные крахмалы. Проанализирован химический состав крахмалопродуктов и его влияние на сорбционные и прочностные характеристики бумажной упаковки.

Ключевые слова:бумага, гидрофобизирующие материалы, модифицированный крахмал, химический состав, свойства.

 

Современное бумажное производство немыслимо без эффективного использования различных химических материалов. В способах производства влагопрочной бумажной упаковки возникает интерес к нахождению пути получения бумаги при минимальных затратах и повышенных физико-химических показателей. Для повышения механической прочности и снижения водопоглощения бумаги, используемой в производстве упаковки, на стадии ее изготовления в бумажную массу вводятся гидрофобизирующие материалы.

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. К гидрофобизирующим проклеивающим материалам относятся: обычная и модифицированная канифоль, парафин, горный воск, стеараты, силиконы, битум, латекс, синтетические клеи, квилон 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 [1, 4].

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 [2]. Крахмал является вспомогательным веществом в бумажной промышленности. Это связано с его уникальными функциональными свойствами, а также с низкой стоимостью, возобновляемостью сырьевых ресурсов и экологической чистотой.

Природный крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов: линейного — амилозы и разветвленного — амилопектина, общая эмпирическая формула которых — (C6H10О5). В зависимости от исходного сырья содержание амилозы составляет от 10 до 30 % [3, 7].

Химический состав крахмала показан на рисунках 1–2. Крахмал [C6H10O5]n состоит из: амилозы — 25 % ММ (32–160)·103 и амилопектина — 75 % ММ (100–1000) 103 [3].

Рис. 1. Амилоза [3]

 

Амилоза имеет линейное строение, D — глюкопиранозные остатки связаны гликозидными связями [4].

Рис. 2. Амилопектин [3]

 

Молекула амилопектина построена подобным образом, однако имеет в цепи разветвления, что создает пространственную структуру. В точках разветвления остатки моносахаридов связаны гликозидными связями. Между точками разветвления располагаются обычно 20–25 глюкозных остатков [9]. Амилозная фракция обладает большой силой связи при добавках в массу, но оказывает более слабое диспергирующее действие на пигменты.

Производство многих видов упаковочных бумаг предусматривает использование вторичного сырья — макулатуры. Макулатурную массу для изготовления целлюлозно-бумажных изделий необходимо подвергать облагораживанию. Материалы, получаемые из такого сырья, не обеспечивают достаточный уровень прочности, жесткости. Для устранения этих проблем использовались натуральные крахмалы, главный недостаток которых — большой расход на тонну продукции и замедление обезвоживания. Катионные крахмалы позволяют устраняют эти недостатки, потому что имеют прочную адсорбцию к волокну и хорошо удерживаются в массе, благодаря чему покрывают большую поверхность волокон и дают хорошее внутреннее сцепление при низком расходе. Катионные крахмалы являются эффективным средством удержания мелочи, наполнителей и вредной смолы, повышают заряд бумаги, придают необходимую степень гидрофобности.

Молекулы катионного крахмала, добавленные в суспензии целлюлозной массы, могут сцепляться с анионными от природы волокнами целлюлозной массы силами электростатического притяжения и, таким образом, удерживаться во влажном волокнистом материале и оставаться в конечной бумаге или картоне [4, 5]. Крахмальная проклейка значительно снижает впитываемость бумаги.

Катионный крахмал — замещенный крахмал, содержащий группы, способные придавать ему положительный заряд в водной среде при соответствующем значении pH. Чаще всего в целлюлозно-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. Катионизации достигают, например, присоединением хлорида3-хлор-2-гидроксипропилтриметил-аммония для получения катионных крахмалов с различными степенями замещения азотом. Степень катионного замещения крахмалов (маc. %азот/крахмал) может находиться в пределах от около 0,01 до около 0,2, предпочтительно между 0,02 и 0,15 [3, 9].

Так как гидрофобные группы катионного крахмала имеют низкое сродство с водной средой, то при добавлении их к воде, они показывают сильно выраженную тенденцию к «избеганию» контакта с молекулами воды. В присутствии твёрдых частиц, таких как целлюлозные волокна и наполнители, используемые в производстве бумаги, гидрофобный крахмал, адсорбируется на этих частицах.

Анионный крахмал — замещенный крахмал, содержащий группы, способные придавать ему отрицательный заряд в водной среде при заданном значении рН. Удерживание анионного крахмала на волокнах — за счет комплексообразования с алюминием обычно в слабокислой среде [3, 8].

Вероятно, что взаимодействие крахмала с целлюлозными волокнами протекает по механизму мозаичного сцепления: полимерные цепи положительно заряженного крахмала подобно элементам мозаики оседают на волокнах и частицах наполнителя, тем самым перезаряжая лишь отдельные области. Взаимодействие участков с противоположным зарядом приводит к мозаичному сцеплению частиц с образованием макрофлокул.

В последнее время появляется информация об использовании комбинаций катионных и анионных крахмалов, что позволяет дополнительно увеличить механическую прочность бумаги, экономить химикаты, повысить удержание волокна на формующей части бумагоделательной машины.

Предпочтительным является использовать катионный крахмал в сочетании с карбоксиметилцеллюлозой, поскольку два данных полимера, как было обнаружено, хорошо взаимодействуют друг с другом, давая бумагу с хорошей прочностью при низкой стоимости [5, 6]. Карбоксиметилцеллюлоза применяется обычно в виде натриевой соли. Она получается действием монохлоруксусной кислоты на алкилцеллюлозу.

Возникает целое направление промышленности — создание и производство высокоэффективных, отвечающих экологическим требованиям модифицированных крахмалопродуктов, предназначенных для целлюлозно-бумажного производства.

В России появились фирмы, такие как ОАО «Ибредькрахмалпатока» и ОАО «Крахмалопаточный завод «Новолянский», выпускающие низкозамещенные катионные крахмалы.

В настоящее время многие фирмы предлагают специализированные виды крахмала и гидрофобные добавки на его основе, обеспечивающие значительный рост адгезионной прочности, а также снижение впитываемости при использовании макулатурного сырья в производстве бумажной упаковки, однако при рассмотрении эффективности их применения необходимо проанализировать химический состав, применяемых гидрофобизаторов и их механизм взаимодействия с целлюлозой и другими связующими материалами.

 

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.         Биоорганическая химия [Электронный источник]: Полисахариды. Крахмал, Целлюлоза.– http://xn----7sbb4aandjwsmn3a8g6b.xn--p1ai/theory/chemistry/biochemistry/polysaccharides.html

4.         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: 20.04.2015).

5.         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.

6.         Мишурина О. А., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р., Ершова О. В. Исследования качества исходного сырья на прочностные свойства картонных втулок // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 1. С. 254; URL: www.science-education.ru/115–12226 (дата обращения: 21.04.2015).

7.         Мишурина О. А., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р. Исследование влияние химического состава углеводородной части различных видов целлюлозных волокон на физико-механические свойства бумаг для гофрирования // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2013. № 8. С. 52–55.

8.         Патент РФ № 2007145719/12, 11.05.2006. Легнерфельт Бьерн, Дольфф Элизабет, Олауссон Ян. Способ получения бумаги и бумага, полученная данным способом // Патент России №.2388863 2006.

9.         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.

Основные термины (генерируются автоматически): крахмал, химический состав, катионный крахмал, бумажная упаковка, водная среда, материал, механическая прочность бумаги, анионный крахмал, замещенный крахмал, целлюлозная масса.


Похожие статьи

Анализ эффективности гидрофобизации бумажной упаковки...

катионный крахмал, крахмал, анионный крахмал, модифицированный крахмал, бумажная упаковка, водная среда, бумагоделательная машина, мелкое волокно, мокрая часть, катионная потребность.

Перспективы использования модифицированного крахмала для...

крахмал, катионный крахмал, водная среда, повышение прочности, нативный крахмал, мелкое волокно, бумажная упаковка, бумажная масса, анионный крахмал, поверхностная проклейка.

Свойства и области применения модифицированных видов...

Катионный крахмал применяются как основная флоккулирующая и упрочняющая добавка в массе при отливе бумаги в нейтральной и слабощелочной среде, а также при меловании и поверхностной проклейке.

Действие модифицирующих добавок в составе крахмальных...

При введении в суспензию крахмала молекул КМЦ анионный заряд частиц крахмала будет возрастать.

картон, гофрокартон, гидрофобизирующие добавки, химический состав, модифицированный крахмал, свойства.

Целлюлоза — главный строительный материал растительного...

Строение целлюлозы сходно со строением крахмала, но в отличие от крахмала целлюлоза состоит из остатков β-глюкозы.

Целлюлоза для производства бумаги должна иметь высокие показатели механической прочности и белизны.

Печатно-технические свойства печатных красок, основанных на...

Все эти достоинства выдвинули их на первое место в России и на второе место в мире при печатании тканей из целлюлозных материалов.

Для активных красителей в качестве загущающих веществ используют альгинат натрия, манутекс, а также эфиры крахмала...

Адгезивные материалы, используемые в производстве картона...

бумага, гидрофобизирующие материалы, модифицированный крахмал, химический состав, свойства. Похожие статьи. Действие модифицирующих добавок в составе крахмальных клеев на качество упаковочных видов картона и гофрокартона.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Анализ эффективности гидрофобизации бумажной упаковки...

катионный крахмал, крахмал, анионный крахмал, модифицированный крахмал, бумажная упаковка, водная среда, бумагоделательная машина, мелкое волокно, мокрая часть, катионная потребность.

Перспективы использования модифицированного крахмала для...

крахмал, катионный крахмал, водная среда, повышение прочности, нативный крахмал, мелкое волокно, бумажная упаковка, бумажная масса, анионный крахмал, поверхностная проклейка.

Свойства и области применения модифицированных видов...

Катионный крахмал применяются как основная флоккулирующая и упрочняющая добавка в массе при отливе бумаги в нейтральной и слабощелочной среде, а также при меловании и поверхностной проклейке.

Действие модифицирующих добавок в составе крахмальных...

При введении в суспензию крахмала молекул КМЦ анионный заряд частиц крахмала будет возрастать.

картон, гофрокартон, гидрофобизирующие добавки, химический состав, модифицированный крахмал, свойства.

Целлюлоза — главный строительный материал растительного...

Строение целлюлозы сходно со строением крахмала, но в отличие от крахмала целлюлоза состоит из остатков β-глюкозы.

Целлюлоза для производства бумаги должна иметь высокие показатели механической прочности и белизны.

Печатно-технические свойства печатных красок, основанных на...

Все эти достоинства выдвинули их на первое место в России и на второе место в мире при печатании тканей из целлюлозных материалов.

Для активных красителей в качестве загущающих веществ используют альгинат натрия, манутекс, а также эфиры крахмала...

Адгезивные материалы, используемые в производстве картона...

бумага, гидрофобизирующие материалы, модифицированный крахмал, химический состав, свойства. Похожие статьи. Действие модифицирующих добавок в составе крахмальных клеев на качество упаковочных видов картона и гофрокартона.

Задать вопрос