1.2 Краткие сведения о процессах, происходящих при составлении композиции и изготовлении бумаги

1.2.1. Смоляная проклейка

Цель смоляной проклейки заключается в том, чтобы сделать бумагу в той или иной степени непроницаемой для воды и водных растворов.

Проклейка практически осуществляется двумя способами: осаждением смоляного клея на волокнах (проклейка в массе) и нанесением пленок из растворов клеящих веществ на готовую бумагу (поверхностная проклейка).

При проклейке в массе клей перемешивается с волокнистой массой (до или после размола) и осаждается на волокне сернокислым алюминием. При этом смоляные частицы фиксируются на волокне и при последующим отливе и сушке бумаги на бумагоделательной машине приобретают свойства гидрофобности, сообщая эти свойства бумаге.

Процесс проклейки очень сложен и до сих пор изучен недостаточно. При проклейке бумажной массы в основном происходят следующие реакции.

При варке канифоли со щелочью образуется резинат натрия:

C₁₉H₂₉COOH + NaOH = C₁₉H₂₉COONa + H₂O

Резинат натрия, введенный с клеем в бумажную массу, подвергается гидролизу и образуется мелкодисперсная коллоидная смола и едкий натр:

C₁₉H₂₉COONa + H₂O = C₁₉H₂₉COOH + NaOH

Едкий натр поглощается волокном (примерно 60 %) и уходит из сферы действия.

Смола и целлюлозное волокно в водной суспензии несут отрицательный заряд и отталкиваются друг от друга. При добавлении сернокислого алюминия происходит электролитическая коагуляция клея. Ионы алюминия вступают также в обменную реакцию с одно- и двухвалентными катионами золы волокна, вызывая тем самым понижение отрицательного заряда целлюлозы, вступают в реакцию с резинатом натрия и солями жесткости воды. Сернокислый алюминий подвергается гидролизу и в зависимости от рН среды может находиться в диссоциированном (в ионной форме) и в недиссоциированном состоянии или в форме гидрооксда алюминия

Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂SO₄,

или в ионной форме

2Al³⁺ + 3SO₄^2- + 6HOH = 2Al(OH)₃ + 6H⁺ + 3SO₄^2-

Водные растворы солей алюминия содержат бесцветные ионы Al³⁺, в значительной степени гидратированные. В зависимости от кислотности среды они могут переходить в гидроксид алюминия через следующие переходные формы:

Al³⁺ = Al(OH)²⁺ = Al(OH)₂⁺ = Al(OH)₃

Согласно теории Томаса, ионы алюминия эффективны для проклейки бумаги, потому что они могут устанавливать со смолой и целлюлозой координационную связь через гидроксильные группы:

Диссоциированная часть сульфата алюминия вступает в химическую реакцию с резинатом натрия, которая происходит почти мгновенно:

6C₁₉H₂₉COONa + Al₂(SO₄)₃ = 2(C₁₉H₂₉COO)₃Al + 3Na₂SO₄

Резинат алюминия нерастворим в воде и тотчас выпадает в осадок, оседая на волокне. Эта реакция происходит при рН массы 4,5 и ниже. При более высоком рН (до 6,5), по-видимому, образуется дирезинат алюминия AlRe₂(OH), монорезинат AlRe(OH)₂ и свободная смола ReH.

Гидроксид алюминия адсорбирует из раствора трехвалентные ионы алюминия и приобретает сильный положительный заряд. Имея большую поверхность и заряд, он коагулирует взвеси в том числе и коллоидную смолу, которая, адсорбируя на своей поверхности гидроксид алюминия, оседает на волокнах. Свободная смола в виде белых смоляных шариков частично адсорбируется хлопьевидным осадком резината алюминия, а частично осаждается на волокнах в результате электролитической коагуляции.

Для получения хорошей проклейки необходимо поддерживать оптимальную активную кислотность в пределах рН 4,5...5,5 (в зависимости от вида клея и применяемой производственной воды).

Процесс проклейки бумаги завершается во время сушки, при этом смоляной осадок размягчается, подвергается спеканию и делается гидрофобным. Полагают, что при спекании полярные карбоксильные группы смоляных кислот ориентируются внутрь, стремясь уменьшить свободную энергию поверхности, а гидрофобные группы ориентируются наружу, чем и обуславливается эффект проклейки. Наилучшая проклейка бумаги достигается при двухстадийной сушке: в первой стадии, до сухости бумажного полотна 60...65 %, средняя температура сушки не должна превышать 70 С, а во второй стадии сушки, до конечной сухости, температура должна быть 110...120 С.