Исследование влияния функциональных химических веществ на обезвоживание волокнистой массы

Введение

ЦБП принадлежит к немногим отраслям мировой промышленности, отличающимся устойчивым развитием. Среднегодовой прирост ее продукции не подвержен конъюнктурным воздействиям и определяется жесткой связью этого прироста с численностью населения, уровнем его культуры и образования, объемами торговли, темпами и масштабом научно-технического прогресса. Достижения в области электронных средств массовой информации не уменьшили, а пожалуй, скорее увеличили потребность в бумаге, картоне и изделий из них.

В настоящее время мировая бумажная промышленность выпускает свыше 600 видов бумаги и картона, обладающих разнообразными, а в ряде случаев совершенно противоположными свойствами: высокопрозрачные и почти совсем непрозрачные (неактиничные); электропроводящие и электроизоляционные; толщиной 4-5 мкм, (т.е. в 10 раз тоньше человеческого волоса) и толстые виды картона; хорошо впитывающие влагу и водонепроницаемые; прочные и слабые; гладкие и шероховатые и др. Причем ассортимент продукции ЦБП постоянно видоизменяется. Так, например, за последние 8 лет произошло сокращение доли газетной бумаги (при одновременном росте объема ее абсолютного производства) и заметное увеличение доли высококачественной писче-печатной бумаги, включая бумагу для множительной техники. Возросла доля картона, упаковочной бумаги и изделий из них, увеличивается доля тиссю и санитарно-гигиенических изделий.

Одновременно с изменением ассортимента произошло и изменение экономической формации. Переход к рыночной экономике, где все определяет соотношение спроса и предложения, заставляет по-новому взглянуть на процесс производства.

В условиях рынка и конкурентной борьбы выигрывает тот, кто производит высококачественный товар, и предлагает его по выгодной цене. Именно поэтому большая часть продаваемой в России бумаги является импортной. Кризис, в котором находится отечественная ЦБП, как и вся экономика, постепенно начинает отступать. И теперь основная цель российских производителей бумаги, выпускать конкурентоспособную, качественную продукцию, имеющую спрос, и при минимальных затратах.

Одним из путей достижения поставленной задачи, является применение в композиции бумаги функциональных химических веществ.

Функциональные химические вещества имеют разное целевое назначение и в общем могут быть разделены на следующие группы.

• регулирующие рН среды;

• проклеивающие вещества;

• придающие бумаге прочность и влагопрочность;

• придающие бумаге водонепроницаемость;

• дефлокуляторы растительных волокон;

• повышающие удержание мелкого волокна и наполнителя;

• пеногасители;

• оптические отбеливатели;

• фунгициды, препятствующие образованию слизи и предупреждающие развитие микроорганизмов в коммуникациях;

• вещества, придающие бумаге огнестойкость;

• вещества, сообщающие бумаге или картону непроницаемость для прохождения газов, жира, жидкости, ультрафиолетовых лучей и придающие специальные свойства и др.

Введение химикатов в бумажную массу открывает следующие возможности:

1. увеличение сопротивлений бумаги продавливанию, разрыву и надрыву;

2. введение в композицию бумаги повышенного количества коротковолокнистой целлюлозы и наполнителей без снижения показателей механической прочности;

3. сокращение расхода электроэнергии и времени размола;

4. ускорение обезвоживания на сетке, что обеспечивает повышение скорости бумагоделательных машин, а вместе с тем и увеличение их производительности;

5. улучшение условий формования бумажного полотна;

6. повышение прочности бумаги во влажном состоянии.

Экономический эффект от применения в композиции бумаги различных функциональных химических соединений огромен и выражается не только в улучшении качества бумажной продукции, но и сокращении производственных расходов. Поэтому наблюдается устойчивая тенденция к расширению их применения. Доля стоимости функциональных химических веществ в конечном продукте, в некоторых зарубежных странах, достигает 50 % и более.

Ассортимент химикатов постоянно обновляется за счет появления более эффективных веществ. И хотя их целевое назначение известно, все же при добавлении химических веществ в бумажную массу, следует соблюдать определенный технологический режим. Иначе положительное воздействие может быть не достаточно высоким, или появятся побочные, отрицательные явления.

Применение в России новых функциональных химических веществ осуществляется за счет «искусства бумажного мастера», т.е. основывается на практическом опыте. При этом, возможно, получаются неплохие результаты. Но все-таки в конце ХХ века, как мне кажется, выигрывает та технология, которая имеет прочную научную основу. Для этого и проводилась данная исследовательская работа, которая рассмотрела влияние функциональных химических веществ на обезвоживание волокнистой массы.

4. Исследовательская часть.

Целью настоящей работы было исследование влияния различных функциональных химических веществ на обезвоживание волокнистой массы. В ходе работы ставились следующие задачи:

1. Исследовать изменяется ли обезвоживание волокнистой массы при введении различных количеств функциональных химических веществ.

2. Рассмотреть влияние различных добавок функциональных химических веществ во времени.

3. Исследовать воздействие химических добавок при изменении рН суспензии.

4.1. Исследование влияния различных количеств флокулянта П 852 на обезвоживание волокнистой массы.

В качестве волокнистого материала используем сульфатную лиственную целлюлозу. Для приготовления волокнистой суспензии целлюлозу необходимо распустить. При этом все расчеты ведут на массу абсолютно сухого волокна. Поэтому сначала определяем влажность используемой целлюлозы.

Определяя влажность, готовим две параллельные пробы. Взвешиваем на аналитических весах по 1 г целлюлозы и помещаем навески в предварительно взвешенные бюксы:

m(1 бюкса)=49,6 г; m(2 бюкса)=45,7001 г

Устанавливаем бюксы в сушильный шкаф и высушиваем целлюлозу при Т=105С в течении 2 часов. Далее вынимаем бюксы из сушильного шкафа, охлаждаем в эксикаторе и взвешиваем.

m _I=50,5004 г  m _I(навески)=0,9004 г

m _II=46,6008 г m _II(навески)=0,9007 г

Снова помещаем бюксы в сушильный шкаф, и последующие взвешивания производим через каждые 0,5 часа до постоянной массы.

Через полчаса: m _I=50,5003 г  m _I(навески)=0,9003 г

m _II=46,6007 г m _II(навески)=0,9006 г

Последующие три взвешивания с интервалом в полчаса показали, что масса остается постоянной, т.е. в 1-ом бюксе m _I=0,9002 г, а во 2-ом m _II=0,9005 г

Конечную массу навески определяем как среднее арифметическое 2-х параллельных проб: (0,9005+0,9002)/2=0,90035 г

Следовательно, влажность целлюлозы равна:

W=(1-0,90035)/1*100 %=9,965 %

Для приготовления волокнистой массы необходимо взять 2 г абсолютно сухой целлюлозы. При влагосодержании целлюлозы 9,965 % масса влажной целлюлозы равна:

2 г – 90,035 %

х г- 100 %  х=2*100/90,035=2,22 г

Объем всей суспензии должен составлять 1000 см ³. Следовательно, количество добавляемой воды определяем как: 1000-2,22=997,78 г

Заливаем целлюлозу водой и оставляем стоять 30 мин. После распускаем на дезинтеграторе в течение 35 мин до получения однородной суспензии.

Волокнистую суспензию переносим в мерный цилиндр. Так как, при роспуске теряется некоторое количество воды, то доливаем дополнительно воду до метки.

Сначала проводим холостую пробу без флокулянта, тщательно перемешиваем суспензию и заливаем в аппарат СР-2 при закрытом клапане. Затем быстро поднимаем клапан и наблюдаем водоотдачу. При холостой пробе основной объем воды выходит через боковое отверстие, и составляет 858 см ³, а через центральную трубу 86 см ³. В сумме эти 2 значения не дают 1000 см ³, значит часть воды осталась в массе. Водоудержание определяется как:

1000-(858+86)=56 см ³

После проведения холостой пробы, собираем целлюлозную массу с сетки, и помещаем в мерный цилиндр. Затем добавляем флокулянт из расчета 20 г сухого вещества на 1т бумаги, что в пересчете на 0,2 %-ный раствор флокулянта составляет 10 см ³. Доводим до 1000 мл собранной при холостой пробе водой. После перемешивания суспензии, заливаем ее в аппарат и поднимаем клапан. Наблюдается замедление процесса обезвоживания, о чем свидетельствует меньшее количество воды, уходящей через боковое отверстие и большее количество воды через центральное. Аналогично проводим 5 замеров, и конечный результат определяем как среднее арифметическое.

В последующих опытах постепенно увеличиваем количество флокулянта. Полученные результаты представлены в таблице 4.1.1.:

На основании данных таблицы построим графики. На графике 4.1.1. изображена зависимость между количеством, добавляемого флокулянта, и объемом воды, вытекшей через боковое отверстие.

На графике 4.1.2. показана зависимость между тем же количеством флокулянта и объемом воды, вытекшей через центральное отверстие.

Из графиков видно, что с увеличением содержания флокулянта в суспензии наблюдается замедление водоотдачи. Так как, флокулянт представляет собой полимер, имеющий катионный характер, он связывает мелкие волокна целлюлозы, образуя агрегаты-флокулы, которые удерживаются на слое волокон.

Сам слой становится более плотным, увеличивается его толщина, и вода фильтруется медленнее. Также замедление водоотдачи можно объяснить частичным растворением флокулянта в воде, в результате, возрастает ее вязкость.

При суммировании объемов воды, вытекшей через боковое и центральное отверстии, получаем результат меньше 1000 мл. Значит, часть воды осталась в целлюлозной массе. На графике 4.1.3. представлена зависимость водоудержания волокнистой массы в зависимости от добавок флокулянта.

Кривую можно разбить на несколько участков. На 1-ом участке от нулевой концентрации до расхода 30 г/т количество воды в волокне уменьшается. Затем начинается медленный подъем и кривая достигает максимума при концентрации 60 г на 1т бумаги- это второй участок. На 3-м участке наблюдается резкий спад водоудержания и минимальное его значение находится в точке соответствующей концентрации 100 г/т. Зависимость неоднозначная и нуждается в более подробном объяснении. Но уже сейчас можно сказать, что с увеличением концентрации флокулянта, водоудержание падает. Так как флокулянт, связывая волокна целлюлозы, вытесняет воду из волокнистой массы.

4.2. Исследование влияния различных добавок флокулянта П на обезвоживание волокнистой массы в течении времени.

При проведении данного исследования готовились три пробы целлюлозной суспензии согласно методике. Для каждой из проб проводился холостой опыт (без флокулянта). Затем добавлялся флокулянт, причем для 1-ой пробы из расчета 60 г/т, для 2-ой пробы 80 г/т и 3-ей пробы 100 г/т. Суспензии перемешивали и оставляли на 1 мин. По истечении времени на аппарате СР-2 определяли водоотделение. После измерения массу собирали в мерный цилиндр, заливали водой, перемешивали и оставляли на 5 мин, по истечении которых также определяли количество воды, вытекающей через оба отверстия. Затем суспензию с флокулянтом П выдерживали в течение 10 и 30 мин. После каждого контрольного времени проводили измерения на аппарате Шоппер-Риглера. Данные, полученные после серии опытов, представлены в таблице 4.2.1.:

На основании полученных данных построим графики 4.2.1. и 4.2.2.

Кривые на графиках можно условно разбить на 2 участка. На первом участке наблюдается плавное увеличение количества воды, вытекающей через боковое отверстие, и уменьшение количества воды, выходящей через центральную трубу. Это свидетельствует о некотором ускорении процесса обезвоживания во времени. На втором участке количество воды, вытекающей через отверстия, не изменяется, остается постоянным. Возможно, ускорение процесса обезвоживания во времени связано с тем, что часть флокулянта переходит в раствор и снижается его воздействие на целлюлозную массу.

4.3. Исследование обезвоживания волокнистой массы при добавлении флокулянта П и изменении величины рН.

Измерение рН осуществляется при помощи иономера Ч-135М1. Сначала измеряем рН суспензии целлюлозы без флокулянта. Для этого из мерного цилиндра в стакан наливаем 30 мл суспензии. Устанавливаем стакан на подставку иономера, опускаем в него эталонный электрод, а затем измерительный. По истечении 3-х мин снимаем показатели прибора. рН волокнистой суспензии равно 8,00.После измерение рН, выливаем содержимое цилиндра в аппарат СР-2, поднимаем клапан и определяем водоотделение.

Тот же порядок действий соблюдаем после добавления в суспензию 30 мл флокулянта (рН цел.+фл.)=8,37.

В результате исследований необходимо рассмотреть обезвоживание при рН: 4; 4,5; 5; 6; 7; 8; 9. Для этого в суспензию добавляем определенное количество кислоты или щелочи.

Сначала установим экспериментальную зависимость между количеством добавляемой кислоты или щелочи и изменением рН. В стаканчик наливаем 100 мл суспензии, содержащей флокулянт, и добавляем по 0,5 мл 0,1Н раствора HCl, соответственно измеряя рН.

Полученные данные в таблице 4.3.1.:

По этим данным строим графическую зависимость.

Для нахождения необходимого количества кислоты действуем следующим образом. Например, для получения рН=4 необходимо к 100 мл суспензии добавить 5,35 мл кислоты, что в пересчете на 1000 мл составляет 53,5 мл. Отбираем из мерного цилиндра 53,5 мл суспензии и доливаем кислотой. Для устранения потерь флокулянта рассчитаем, какое его количество следует восполнить:

1000 мл-30 мл

53,5 мл- х  х=30*53,5/1000=1,6 мл

После введения 0,1Н HCl, отбираем пробу V=30 мл и проверяем рН на иономере. Убедившись в правильности расчетов, заливаем суспензию в аппарат СР-2 и определяем водоотдачу. Аналогичным образом поступаем и в последующих измерениях.

Экспериментальные данные, полученные при различных рН представлены на графиках 4.3.1., 4.3.2., 4.3.3.

Из графиков видно, что при изменении рН, водоотдача не меняется. Значит, флокулянт устойчив в интервале рН от 4 до 9.

4.4. Исследование влияния добавок катионного крахмала на обезвоживание волокнистой массы.

Согласно методике готовим 2 %-ный крахмальный клейстер. Для этого на аналитических весах взвешиваем 20 г катионного крахмала. Переносим его в фарфоровый стакан и заливаем дистиллированной водой в количестве 1000 мл. Устанавливаем стакан в подогретую водяную баню и при постоянном перемешивании нагреваем клейстер до 90С. Варка осуществляется в течении 15-20 мин. Готовый клейстер охлаждаем и используем в работе.

Подготовленную суспензию целлюлозы переливаем в мерный цилиндр V=1000 мл, доводим при необходимости водой, тщательно перемешиваем. В аппарат СР-2, с опущенным клапаном, заливаем суспензию и измеряем водоотдачу. После проведения холостой пробы собираем массу в цилиндр, добавляем расчетное количество крахмала и доливаем водой до 1000 мл. Затем тщательно перемешиваем, заливаем в аппарат и поднимаем клапан. При введении катионного крахмала даже в количестве 0,3 кг/т, наблюдается резкое замедление процесса обезвоживания. Основное количество воды выходит через центральное отверстие. При дальнейшем увеличении добавки катионного крахмала, замедление водоотдачи усиливается. А при расходе 1,5 кг/т значительная часть воды остается в массе.

Полученные в результате эксперимента данные приведены в таблице 4.4.1.:

По данным таблицы построим графики. На графике 4.4.1. изображена зависимость между количеством вводимого крахмала и водоотдачей массы.

При этом с увеличением расхода катионного крахмала происходит плавное уменьшение количества воды, уходящей через боковое отверстие, и увеличение количества выходящей воды через центральное отверстие. На графике 4.4.2. представлена зависимость водоудержания от концентрации крахмала в суспензии.

До концентрации 1 кг/т наблюдается плавное увеличение водоудержания, а затем резкое возрастание. Полученные результаты можно объяснить следующим образом. Наличие в макромолекуле катионного крахмала функциональных групп, несущих положительный заряд, способствует удержанию мелкого волокна. В результате, чего масса становится более «жирной». Молекулы воды, имеющие полярную природу, также взаимодействуют с катионным крахмалом. Поэтому происходит не только замедление обезвоживания, но и увеличения количества воды в массе. При повышении концентрации катионного крахмала эффект его действия усиливается, за счет образования на сетке пленки клейстера, препятствующей водоотдаче.

4.5. Исследование влияния добавок катионной смолы МП на обезвоживание волокнистой массы.

Катионная смола, используемая в работе, представляет собой раствор коричневого цвета 27 %-ной концентрации. Зная, расход катионной смолы в кг сухого вещества на 1т бумаги, делаем пересчет на необходимый объем данного раствора. Сначала проводим холостое измерение водоотдачи массы. Затем проводим серию экспериментов, добавляя различные количества смолы. Для каждой концентрации делаем 5 замеров и конечный результат определяем как среднее арифметическое. Экспериментальные данные приведены в таблице 4.5.1.:

Таблица 4.5.1.

По табличным данным построим три графика. На графиках 4.5.1. и 4.5.2. изображены зависимости между количеством добавляемой смолы и объемом воды, вытекающей через боковое и центральное отверстии.

До концентрации 1 кг/т происходит резкое уменьшение количества воды, уходящей через боковое отверстие. Затем экспериментальные точки образуют плавную кривую: сначала водоотдача немного увеличивается, а потом плавно уменьшается. На втором графике наблюдается почти прямо пропорциональная зависимость между концентрацией МП и водоотдачей через центральное отверстие.

На графике 4.5.3. представлена кривая, определяющая зависимость между количеством катионной смолы и количеством воды, удерживаемой волокнистой массой.

. На участке кривой до концентрации 1 кг/т резкий скачок водоудержания, затем происходит плавное снижение. На участке соответствующем концентрациям от 6 до 10 кг/т водоудержание практически не изменяется.

Анализируя полученные кривые можно предположить, что:

• катионная смола способна удерживать мелкое волокно, в результате, чего слой массы становится менее пористым, и водоотдача идет медленнее.

• при малых концентрациях катионной смолы происходит резкий скачок водоудержания, связанное, возможно, с частичной гидратацией макромолекулы смолы, которая, имея катионную активность, адсорбируется на волокнах целлюлозы.

• с увеличением концентрации МП в массе происходит постепенное снижение водоудержания за счет взаимодействия с волокнами целлюлозы и вытеснения тем самым воды из волокнистой массы. На определенном этапе наступает равновесие, о чем свидетельствует прямолинейный участок на графике водоудержания.

4.6. Исследование влияния добавок деаэратора на обезвоживание волокнистой массы.

Согласно методике готовим волокнистую суспензию концентрацией 2 г абсолютно сухой целлюлозы в 1000 мл. На аппарате СР-2 проводим холостой замер объема воды, вытекшей через центральное и боковое отверстия. Затем собираем целлюлозную массу в измерительный цилиндр и добавляем деаэратор. Перед введением деаэратор разбавляем до концентрации 5 % по сухому веществу. Для этого берем 18,5 мл 27 %-ного раствора и доводим дистиллированной водой до 100 мл. После введения деаэратора также измеряем водоотдачу на аппарате Шопер-Риглера. Для каждого количества проводим по 5 замеров, и конечный результат определяем как среднее арифметическое. Полученные данные представлены в таблице 4.6.1.:

По данным таблицы построим графические зависимости. На рисунке 4.6.1. изображены кривые, показывающие зависимости между количеством вводимого вещества и количеством воды, вытекающей через боковое и центральное отверстия.

На рисунке 4.6.3. зависимость между концентрацией деаэратора в суспензии и водоудержанием.

Из последнего рисунка видно, что первоначально при увеличении концентрации вещества в массе наблюдается уменьшение количества воды в целлюлозе. При концентрации она достигает минимума и затем начинается плавный подъем.

Возможно следующее объяснение. На первоначальном этапе молекулы ПАВ, адсорбируясь на границе раздела фаз «воздух-вода», «волокно-вода», снижает поверхностное натяжение, волокнистый слой становится более плотным и количество воды в нем уменьшается. При определенной концентрации деаэратора в массе наступает точка насыщения. Далее увеличение концентрации ПАВ приводит к взаимодействию молекул адсорбата между собой и образованию полимолекулярного слоя. Причем последний слой, по-видимому, адсорбирует молекулы воды и удерживает их в массе.

4.7.Исследование влияния микрофлокулянта ОП на обезвоживание волокнистой массы.

Согласно методике готовим 0,1 %-ный раствор микрофлокулянта. Сначала определяем плотность исходного 100 %-ного раствора. Взвешиваем на аналитических весах пустой стакан: m1=28,95 г.

Затем наливаем в него 10 мл раствора и снова взвешиваем: m2=34,093 г.

Плотность 100 %-ного раствора определяем по формуле:

=(34,093-28,95)/10=0,514 г/мл

Для приготовления 0,1 %-ного раствора необходимо отобрать и растворить 1 г раствора в 1000 г дистиллированной воды. Объем 1 г раствора составит: V=1/0,514=1,94 мл. Наливаем 1,94 мл в фарфоровый стакан, доводим дистиллированной водой до 1000 мл.

После приготовления рабочего раствора микрофлокулянта, по методике готовим суспензию волокнистой массы(5 параллельных проб). Затем на аппарате СР-2 делаем холостой замер и для каждой из проб по 5 замеров водоотдачи при различной концентрации микрофлокулянта в массе. Необходимо отметить, что после добавления микрофлокулянта водоотдача замедляется и продолжается 3 мин. Результаты измерений представлены в таблице 4.7.1.:

По данным таблицы построим графики. На графике 4.7.1. изображены кривые, показывающие зависимость между количеством добавляемого микрофлокулянта и количеством воды, выходящей через боковое и центральное отверстии.

Как видно из графика с увеличением концентрации микрофлокулянта в массе уменьшается водоотдача через боковое отверстие и увеличивается через центральное.

На графике 4.7.2. представлена зависимость между количеством добавляемого микрофлокулянта и водоудержанием.

Кривую можно разбить на несколько участков. На 1-ом участке, до концентрации 20 г/т происходит уменьшение воды в массе. Затем, от 20 г/т до 60 г/т, начинается плавный подъем- 2-ой участок. На 3-м участке водоудержание уменьшается и достигает минимального значения, 16,5 мл, при концентрации 100 г/т. Если на этом же графике построить кривую по экстраполированным точкам, то получается обратно пропорциональная зависимость между количеством микрофлокулянта и водоудержанием.

Замедление процесса обезвоживания связано с образованием микрофлокул за счет удержания мелкого волокна; волокнистая масса становится менее пористой. Помимо этого часть микрофлокулянта растворяется в воде, в результате, вязкость последней возрастает.

Из проведенных можно сделать следующие выводы:

• все функциональные химические вещества активно и в большой степени влияют на обезвоживание волокнистой массы.

• однако, характер влияния у них отличен: флокулянт, деаэратор, катионная смола уменьшают водоудержание и по степени воздействия их можно расположить в следующий ряд- флокулянткатионная смоладеаэратор, причем деаэратор имеет более сложную зависимость, сначала до расхода 40 г/т наблюдается уменьшение водоудержания, а затем плавное увеличение.

• напротив, катионный крахмал- увеличивает водоудержание.

• установленный в данной экспериментальной работе характер влияния функциональных веществ на водоудержание следует учитывать технологам в производстве тех видов бумаги и картона, где применяют эти вещества.

Например, применение деаэратора наиболее целесообразно при расходе до 40 г/т, т.к. происходит усиленное обезвоживание, способствующее увеличению скорости БДМ. И, наоборот, снижение производительности БДМ, которое возможно при использовании катионного крахмала, будет компенсировано качеством производимой бумаги.

Применение функциональных химических веществ, испытуемых в данной работе, безусловно, улучшают качество бумаги и картона. А, учитывая проведенные исследования, улучшится и технология.

2.Аналитическая часть.

Процесс проклейки бумаги или картона в массе начинается с введения клея в водно-волокнистую суспензию и завершается в сушильной части бумагоделательной машины. Следовательно, начиная с этого момента и кончая получением готовой продукции, этот процесс подвержен активному воздействию многих технологических факторов. Одним из основных факторов является качество клея.

Клей представляет собой водный раствор гидрофобных веществ с размерами частиц, отвечающими коллоидным системам и концентрацией 15-35 г/л по сухому остатку. При приготовлении клея стремятся к получению как можно более мелкодисперсной и стабильной коллоидной системы гидрофобных материалов, поэтому техника приготовления клея, как правило, основана на многообразии современных приемов и методов.

В мировой практике, хотя и появилась целая серия синтетических клеев для самого широкого ассортимента бумаги и картона для проклейки в массе, канифольные клеи занимают, по-прежнему, доминирующее положение.

Канифоль-это аморфная, твердая, хрупкая стекловидная масса с характерным раковистым изломом, состоящая в основном из смоляных кислот, общей формулы C₂₀H₃₀O_2. Чтобы сделать смолу пригодной для проклейки бумажной массы необходимо перевести ее из гидрофобного состояния в гидрофильное. Поэтому первой стадией изготовления клея, относящаяся к одному из важнейших процессов технологии, является варка клея, то есть нейтрализация смоляных кислот водным раствором щелочи при повышенной температуре. Часто этот процесс называют омылением канифоли из-за сходства продуктов омыления солей щелочных металлов и смоляных кислот-смолянокислого натрия с мылами. Полученный продукт является промежуточным и представляет собой концентрированную, с содержанием 60-70 % по массе сухих веществ, однородную пасту от темно-серого до коричневого цвета.

Вторым важнейшим процессом при приготовлении клея, является диспергирование, или разбавление в воде, клея-пасты, то есть получение собственно коллоидного раствора гидрофобного материала. Диспергирование протекает либо самопроизвольно, либо с помощью специальной аппаратуры: паровых эжекторов или роторно-пульсационных аппаратов. Использование того или иного метода зависит от требуемой дисперсности коллоидных частиц, которая в любом случае должна быть, возможно, максимальной. На этой стадии получают растворы с концентрацией 80-120 г/л.

Для омыления 100 кг канифоли требуется в соответствии с условиями стехиометрии 13,2 кг едкого натра или 17,5 кг соды. В зависимости от содержания в клее свободной неомыленной смолы различают: канифольный бурый, белый и высокосмоляной клей. Кроме того, в настоящее время широко применяются композиционный и пековый клей.

Канифольный бурый клей практически не содержит свободной смолы, при его получении задают столько щелочи на варку, чтобы нейтрализовать все смоляные кислоты. Получаемая клей-паста легко диспергируется в воде (даже самопроизвольно), образуя при этом прозрачный коллоидный раствор бурого цвета. Коллоидные частицы характеризуются как среднедисперстные и эффективность клея достаточно высока.

Канифольный белый клей обычно содержит 10-30 % свободной смолы. Содержание в готовом клее-пасте неомыляемых смоляных кислот существенно сказывается на диспергируемости и свойствах клея. С увеличением свободной смолы свыше 20 % возрастает мутность клеевого раствора, он становится более блеклым и жидкотекучим. При этом стабильность снижается, так как коллоидные мицеллы, находившиеся в гидрофильном состоянии, переходят в гидрофобные коллоидные дисперсии. Практика показала, что нейтральный клей с содержанием 15-20 % свободной смолы обладает наибольшей стабильностью. Полностью омыленный неразбавленный клей склонен к отслаиванию.

Для получения коллоидного раствора требуется применение специальных методов, в частности способы Эрфурта и Арледтера. Первый из этих способов является одноступенчатым. В инжекторе-распылителе предварительно нагретый смоляной клей перемешивается и распыляется под давлением паровой струи. Основным недостатком метода Эрфурта является непосредственный контакт смолы и пара. Кроме того, температура клеевого молочка сравнительно высока, что приводит к нежелательной коагуляции, выражающейся в смоляных пятнах в бумаге.

Внедрение способа многоступенчатой инжекции Арледтера позволило устранить непосредственное воздействие пара и снизить температуру клеевого молочка. Однако и этот метод не удовлетворяет все возрастающие требования в отношении стабильности раствора клеевых частиц.

Полученный коллоидный раствор характеризуется более высокой степенью дисперсности клеевых частиц по сравнению с бурым, мутностью, непрозрачностью, белым или слегка желтоватым цветом. По своей проклеивающей способности он эффективнее бурого клея.

Высокосмоляной клей содержит до 80 % свободной смолы и характеризуется высокой степенью дисперсности частиц и проклеивающей эффективностью. Преимущество высокосмоляного клея послужило толчком к разработке практических способов его получения. Если известно число омыления, не составляет труда обработать лишь некоторую часть канифоли, используя для этого небольшое количество едкого натра. Проблема заключается в том, чтобы частично омыленную канифоль довести до максимальной дисперсности в воде. При наличии высококачественных сортов светлой канифоли несклонной к кристаллизации, можно получить стабильные дисперсии с содержанием свободной смолы до 90 %, что достигается применением соответствующих защитных коллоидов и эмульгаторов. Однако содержание в клее свободной смолы не должно превышать определенных пределов, так как это затрудняет диспергирование.

Клей с высоким содержанием свободной смолы приготавливался прежде без применения эмульгаторов. Упомянутые выше способы Эрфурта и Арледтера предусматривали изготовление клея с содержанием свободной смолы до 50-60 %. Положение изменилось с применением гомогенизаторов, работающих под давлением, а также защитных коллоидов (способы Жилетт, Триплекс, Штульмана).

Решение проблемы принадлежит Б.Вигеру, разработавшему способ приготовления клея Бевойд, позволивший выпускать его в промышленных масштабах и вытеснивший большую часть методов, ранее применяемых на бумажных фабриках. Основным узлом системы для приготовления клея является диспергатор, представляющий бак особой конструкции, снабженный мешалкой с двух ступенчатой передачей на 60 об/мин. При изготовлении дисперсий клея Бевойд измельченная канифоль расплавляется и медленно перемешивается. Затем она частично омыляется 45-% раствором едкого натра, что сопровождается быстрым перемешиванием и диспергированием в присутствии казеина, растворенного в щелочи. Клей разводят вначале горячей водой, а затем холодной водой. Готовая клеевая дисперсия в зависимости от сорта канифоли может содержать от 70 до 90 % свободной смолы, даже при концентрации 35- 45 % клей является жидкотекучим. Внешне раствор похож на клеевое молочко от белого до желто-белого цвета. Дальнейшее разведение клея в случае необходимости может производиться холодной водой.

С точки зрения коллоидной химии клей Бевойд представляет собой коллоидную дисперсию, состоящую из частиц шаровой формы, заключенных в оболочку защитного коллоида. Благодаря этому достигается повышенная стабильность клея, и возможность хранения его в течение длительного времени. Однако дисперсии следует предохранять от воздействия холода и температуры выше 45°С, они теряют стабильность и деструктируют.

С помощью особой технологии производства получают частицы очень малой величины, находящиеся в состоянии непрерывного хаотического перемещения, согласно теории бруоновского движения молекул. Диаметр частиц в условиях высокой дисперсности составляет 0,5-0,15 мк. Если диспергирование неполное, то частицы имеют диаметр 3-5 мк, происходит их седиментирование и стабильность клея снижается.

Весьма стабильные дисперсии высокосмоляного клея можно получить методом Хагойд, предложенный Г. Граскофом. Размер частиц клея Хагойд чрезвычайно равномерен и несколько меньше, чем у клея Бевойд. Особенность сп