19 Цели и задачи наполнения бумаги

При выработке многих видов бумаги в их композицию вво­дят минеральные наполнители. Чаще всего для этой цели ис­пользуют каолин, однако применяют и другие виды минераль­ных наполнителей: мел, тальк, гипс, двуокись пиана и др.

Введение в бумагу минеральных наполнителей осуществля­ется в основном для удешевления бумаги, так как обычно цена минеральных наполнителей ниже цены волокнистых полу­фабрикатов и замена известного количества растительных во­локон минеральным наполнителем представляет определенный экономический интерес; для повышения белизны бумаги, так как белизна применяемых в бумажной промышленности напол­нителей большей частью выше белизны используемых волокни­стых материалов; для придания бумаге непрозрачности, что обеспечивает возможность использования для письма и печати обеих сторон бумажного листа без опасения просвечивания текста, написанного или напечатанного на одной стороне бу­маги, на другую ее сторону.

Кроме того, минеральные наполнители увеличивают пори­стость бумаги, ее воздухопроницемость, впитывающую спо­собность и скорость сушки, снижают деформацию бумаги при ее намокании и уменьшают склонность бумаги скручиваться.

Пористость бумаги от введения в ее композицию минераль­ного наполнителя возрастает тем сильнее, чем больше размер частиц использованного наполнителя. Лишь в тех случаях, когда применяются широкие, неправильной формы волокна (например, грубая древесная масса) и получаемый волокнистый материал (например, картон) обладает повышенной пористо­стью, введение минерального наполнителя, частицы которого имеют размер меньший, чем диаметр пор волокнистого мате­риала, не будет способствовать дальнейшему повышению по-ристости волокнистого материала. В этом случае возможно об­ратное явление: частицы минерального наполнителя, заполняя широкие поры волокнистого материала, будут забивать их, уменьшая общую пористость материала. Очевидно, что при этом не будут обнаружены все те явления, которые сопутствуют повышенной пористости материала, т. е. повышение воздухо-проницаемосш, впитывающей способности и пр.

Наполнитель в бумаге повышает ее гладкость после калан­дрирования, так как частицы наполнителя при каландрирова­нии бумаги заполняют углубления на шероховатой поверхно­сти листа, чем способствуют увеличению его гладкости. Одно­временно при этом происходит уплотнение листа и снижение его воздухопроницаемости.

Наличие минерального наполнителя в бумаге делает ее про­свет более равномерным, что одновременно с увеличением белизны бумаги, ее непрозрачности, гладкости и впитывающей способности (в том числе и к типографской краске) улучшает печатные свойства бумаги.

С повышением плотности наполнителя, используемого при изготовлении бумаги, увеличением его количества в бумаге и степени дисперсности наполнителя повышается плотность бу­маги. Наиболее сильно она повышается и соответственно сни­жается толщина бумаги при использовании в качестве напол­нителя цинковых пигментов, бланфикса и двуокиси титана.

С увеличением содержания в бумаге большинства видов на­полнителей увеличивается ее вялость, Такая бумага, будучи положена на две опоры, обнаруживает значительную стрелу прогиба в отличие от жесткой бумаги, мало прогибающейся в промежутке между опорами при подобном испытании. Упру­гие свойства бумаги от введения в нее минерального наполни­теля снижаются, а пластичность ее увеличивается.

Большинство наполнителей снижает шум при перелистыва­нии бумаги. Исключением является гипс, придающий бумаге звонкость и жесткость на ощупь.

Наряду с указанными выше многими положительными свой­ствами минеральный наполнитель придает бумаге и некоторые отрицательные свойства. Частицы минерального наполнителя, находясь в промежутках между растительными волокнами, увеличивают пористость бумаги, ее воздухопроницаемость (рис. 21) и препятствуют установлению между волокнами прочных связей. Координационная связь через ионы алюминия при этом не может компенсировать влияние снижения числа водородных и других видов прочных связей. Поэтому бумага, содержащая минеральный наполнитель, обычно отличается по­ниженной механической прочностью (рис. 22). Особенно при этом снижается сопротивление излому. Чем больше содержа­ние наполнителя в бумаге, тем она слабее. К тому же с увели­чением содержания в бумаге минерального наполнителя в большей степени обнаруживается пылимость бумаги. О количестве наполнителя в бумаге судят по ее зольности, величина которой редко бывает выше 26—30 % от массы абс. сухой бумаги. Ограничивает содержание наполнителя в бумаге наблюдаемое при этом снижение ее механической прочности, а применительно к некоторым видам бумаги для печати — опа­сение проникновения типографской краски на противополож­ную сторону листа из-за чрезмерно возросшей впитывающей способности бумаги и уменьшения степени ее проклейки.

Для устранения отрицательного влияния минерального на­полнителя на механическую прочность бумаги пользуются ме­тодами модификации наполнителя и введения в бумажную массу некоторых веществ. Так, например, при обработке као­лина алюминатом натрия с одновременным введением в бу­мажную массу полиакриламида или же при обработке его си­ликатом натрия можно существенно повысить содержание на­полнителя в бумаге без снижения при этом ее механической прочности. Известны и другие эффективные способы модифика­ции минерального наполнителя.

20 ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НАПОЛНИТЕЛЯМ И ХАРАКТЕРИСТИКА НАПОЛНИТЕЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ЦБП.

Каолин, или белая глина, — минеральный наполнитель, чаще других используемый для наполнения бумаги. Очищен­ный от примесей (кварца и слюды) каолин по своему составу может быть выражен формулой А1₂0з • 25Ю₂ -2Н₂О. Он содер­жит 39,6 % окиси алюминия, 46,5 % окиси кремния и 13,9 % гидратной воды. Этот минеральный наполнитель является про­дуктом выветривания и разрушения водой горных пород — гра­нита и полевого шпата. На месте добычи на обогатительных фабриках каолин подвергается очистке от примесей, обезвожи­ванию и сушке. На бумажную фабрику он поступает в плитках или чаще в молотом виде в бумажных мешках.

Гранулометрический состав каолина изменяется в зависимо­сти от места его добычи. Обычно каолин содержит зерна раз­мером от 0,1 до 40 мкм с преобладающим составом от 0,5 до 1 мкм. Для выработки широкого ассортимента бумаги для письма и печати следует пользоваться полидисперсным каоли­ном с размером частиц менее 10 мкм и с содержанием частиц менее 2 мкм в количестве 50—60%. При выработке же тонких видов бумаги для печати содержание в каолине частиц раз­мером менее 2 мкм должно быть от 70 до 90 % и более. Плот­ность каолина 2,5—2,8 г/см³. Белизна различных марок као­лина от 70 до 90 % и более.

Тальк по своему составу отвечает формуле 2MgO-Si0₂-•Н₂О и согласно этой формуле содержит 63,5% SiO₂, 31,7% MgO и 4,8 % Н₂О. Благодаря чешуйчатому строению своих ча­стиц он хорошо удерживается в бумажном полотне при изготов­лении бумаги на бумагоделательной машине. Тальк придает бумаге гладкость и блеск, мягкость на ощупь, бесшумность при перелистывании и оказывает меньшее, чем каолин, отрицатель­ное влияние на механическую прочность бумаги и степень ее проклейки. Он содержит частицы размером от 0,5 до 40 мкм с преобладающим составом частиц размером от 1 до 10 мкм. В большинстве случаев белизна талька несколько ниже, чем у каолина. Встречаются разновидности талька по оттенку от белого до серого и зеленоватого и с относительно высокой степенью белизны. Плотность талька 2,6—2,8 г/см³. Мел по своему составу представляет собой углекислый кальций СаСО₃ и в лучших сортах содержит 56 % СаО и 44 % СО₂. Однако нередко в меле имеются небольшие примеси SiC>2, АЬ0₃, MgO, Fe₂O₃ и некоторого количества воды. Белизна мела поэтому колеблется в широких пределах — от 70—80 % до 96 %. Наличие мела в бумаге придает ей непрозрачность, вы­сокую степень лоска после каландрирования и хорошие печат­ные свойства. Он меньше, чем каолин, снижает механическую прочность бумаги и степень ее проклейки, но удержание его в бумаге ниже. Серьезным недостатком мела является вызы­ваемое им сильное пенообразование, особенно в кислой среде. При его применении в процессе изготовления клееной бумаги проклейку следует осуществлять в нейтральной или слабоще­лочной средах. Особенно пригоден мел в производстве папи­росной бумаги для регулирования скорости ее сгорания и по­лучения светлого пепла. Плотность мела 2,2—2,7 г/см³.

Гипс по своему теоретическому составу представляет со­бой CaSO₄-2H₂O с содержанием 32,58% СаО, 46,51 % SO₃ и 20,93 % НаО. В производстве бумаги гипс используется как в природном состоянии (ленцин), так и в обожженном виде (анпалин). Природный гипс с преобладающим размером ча­стиц 1 —10 мкм придает бумаге звонкость и жесткость на ощупь. Он мало снижает прозрачность бумаги, плохо сглажи­вает бумагу после ее каландрирования, увеличивает пыление бумаги. Серьезным недостатком гипса является его значитель­ная растворимость в воде, что влечет за собой потери этого наполнителя со сточными водами. Обжиг гипса способствует увеличению его белизны (до 96%) и уменьшению среднего размера частиц (менее 5 мкм). Это благоприятно сказывается на свойствах бумаги, изготовляемой с применением такого на­полнителя. Плотность гипса в результате его обжига повыша­ется с 2,3—2,4 до 2,8—2,9 г/см³.

Титановые пигменты, используемые в качестве на­полнителя бумаги, представляют собой либо двуокись титана, либо двуокись титана в сочетании с гипсом и сернокислым ба­рием. В последнем случае содержание гипса и сернокислого бария може'1 достигать 50—75 %.

Титановые пигменты отличаются исключительно высокой белизной (до 97—98%) и малыми размерами частиц (в сред­нем 0,3—0,5 мкм). Благодаря этому они придают бумаге даже при малом их содержании (2—3 % к массе волокон) высокую степень непрозрачности, что делает их весьма пригодными, не­смотря на относительно высокую стоимость в производстве тонких видов бумаги для печати (словарной и др.). Для при­дания аналогичной степени непрозрачности потребовалось бы вводить в бумагу значительное количество (до 30%) каолина, что привело бы к существенному ослаблению бумаги. Из-за большого различия в коэффициенте преломления лучей у тита­новых пигментов (2,55) и волокон целлюлозы (1,53) титановые пигменты успешно используют в производстве бумаги-ос­новы для слоистых пластиков. Плотность двуокиси титана 4,2 г/см³.