Влияние средств удержания волокна на покрытие янки-цилиндра. Часть 1

Материал подготовлен Кириллом Кондратьевым, инженером-технологом компании "Эволюция комфорта".

Вы можете написать Кириллу, какие темы в области тиссью вам интересны, и мы о них напишем. Связаться с Кириллом можно по адресу 84991599935k@gmail.com и телеграмму.

Также мы ищем редакторов направлений Целлюлоза, Лайнеры, Другие картоны (специальные виды картонов). Если бы вы хотели писать и редактировать статьи на технические темы, свяжитесь с Ириной Летягиной.

1. Основы удержания волокна на БДМ для производства санитарно-гигиенической бумаги

Удержание волокон, мелкодисперсных частиц и добавок часто называют ключевым фактором эффективного производства бумаги. Это утверждение столь же актуально для производства санитарно-гигиенической бумаги и полотенец, как и для высококачественной бумажной продукции. Применение средств для улучшения удержания позволяет повысить эффективность работы машины и использования добавок, а также улучшить свойства конечного продукта. Хотя удержание наполнителей не является критичным для данного типа продукции, важно учитывать удержание мелкодисперсных частиц и добавок, повышающих прочность.

Удержание частиц в бумаге определяется тремя основными характеристиками: их размером, удельной поверхностью и поверхностным зарядом. Одной из сложностей удержания в любой системе производства бумаги является широкий диапазон размеров частиц в подаваемом сырье. Этот диапазон может охватывать пять порядков величины: от сравнительно крупных волокон (1–3 мм) до очень мелких коллоидных частиц (0,01–3 мкм). Мелкие частицы волокон (fines) традиционно определяются как фрагменты волокон, проходящие через сито с размером ячейки 76 мкм (200 меш). Площадь поверхности частиц играет важную роль, так как мелкие волокна могут иметь площадь поверхности, примерно в 10 раз превышающую площадь крупных волокон. Чем больше площадь поверхности, тем выше потребность в добавках, таких как средства для удержания или агенты влажной прочности. Наконец, электрический заряд поверхности частиц важен для их удержания в волокнистом полотне.

Механизмы удержания можно классифицировать на три основные типа:

- Механическое захватывание
- Химически поддерживаемое удержание
- Комбинация первых двух механизмов

Механическое захватывание компонентов сырья зависит от степени «открытости» формующего полотна и диапазона размеров пор волокнистого полотна, которое уплотняется в процессе формирования листа. Волокна удерживаются в основном за счет механического захвата. Для удержания более мелких коллоидных частиц, которые слишком малы для механического захвата, требуется химическая поддержка. Удержание мелких частиц возможно благодаря сочетанию химических и механических методов. Химическая агломерация позволяет увеличивать мелкие частицы до размеров, подходящих для механического захвата.

Химически поддерживаемое удержание можно рассматривать с точки зрения механизмов, описанных в таблице 1. Эти механизмы приводят к закреплению коллоидных и мелкодисперсных частиц на крупных волокнах и/или увеличению их эффективного размера, что позволяет удерживать их в полотне. Коагуляцию частиц можно охарактеризовать как процесс нейтрализации заряда, который определяется балансом между отталкиванием электрических двойных слоев и силами ван-дер-ваальсового притяжения. Поверхностные заряды частиц нейтрализуются или экранируются, что приводит к сжатию толщины электрического двойного слоя. Репульсивный энергетический барьер между частицами уменьшается, притягивающие силы преобладают, и частицы агломерируются, как показано на рисунке 1.

Таблица 1. Химически Усиленная Ретенция (Chemically Assisted Retention)

Коагуляция
– Нейтрализация заряда
Флоккуляция
– Патч
– Мостик
Комплексная флоккуляция
– Патч/Мостик
– Микрочастицы
– Сеть

Рисунок 1. Сжатие отталкивающего двойного слоя коагулянтом, позволяющее агломерацию частиц

Рисунок 2. Флоккуляция «патчами» (Patch Flocculation)

Флоккуляция «патчами» описывает механизм флоккуляции, при котором полимер адсорбируется на поверхности частицы, образуя катионный участок («патч»). Как показано на рисунке 2, на одной частице сосуществуют катионные и анионные поверхности. Флоккуляциямежду частицами происходит из-за электростатического притяжения между двумя противоположно заряженными поверхностями. Степень притяжения зависит от плотности заряда катионного полимера и степени покрытия поверхности. Полное покрытие и нейтрализация не требуются для возникновения флоккуляции «патчами», и на самом деле могут привести к повторной дисперсии частиц. Полимеры, которые являются хорошими флокулянтами «патчами», характеризуются короткими или средними молекулярными массами и высокой плотностью заряда. Они должны уметь выходить за пределы электрического двойного слоя частицы, чтобы быть эффективными. Флоккулы, которые формируются, обычно маленькие и компактные. Эти флоккулы также могут восстанавливаться после разрушения, вызванного сдвигом. То есть, флоккуляция обратима.

Мостиковая флоккуляция проиллюстрирована на рисунке 3. В этом механизме желаемая адсорбированная конформация полимера на частице включает длинные петли и хвосты. Эта конформация полимера зависит как от заряда поверхности частицы, так и от плотности заряда полимера. Полимеры для мостиковой флоккуляции характеризуются высокой молекулярной массой и низкой плотностью заряда. Флоккулы, которые образуются, крупные и объемные. Они имеют плохую стабильность к сдвигу и не восстанавливаются в значительной степени после разрушения.

Рисунок 3. Мостиковая флоккуляция

Из сложных механизмов флоккуляции, перечисленных в таблице 1, здесь будут обсуждаться только первые два. Как следует из названия, механизм «патч/мостик» является комбинацией уже обсужденных моделей «патч» и «мостик». Классический пример комплексной флоккуляциитипа «патч/мостик» – это двойная полимерная программа, состоящая из низкомолекулярного катионного коагулянта с высокой плотностью заряда в комбинации с высокомолекулярным анионным флокулянтом (см. рисунок 4). Флоккуляция зависит от электростатического притяжения катионных патчей к анионному мосту. Важные факторы во взаимодействии включают порядок введения двух полимеров, а также временной интервал между их введением.

Рисунок 4. Комплексная флоккуляция: механизм «патч/мостик»

Наконец, сложный механизм флоккуляции с использованием микрочастиц (также называемых наночастицами) представлен на рисунке 5. Классический пример такого типа программы включает катионный флокулянт (или крахмал), комбинированный с анионной микрочастицей. Существует множество вариаций программ с микрочастицами, которые включают катионные коагулянты, анионные флокулянты и различные другие микрочастицы. В этом механизме мост образуется микрочастицей. Поскольку микрочастица является мостом, эти флоккулы частично обратимы после воздействия сдвига. Поскольку повторная флоккуляция происходит на микромасштабном уровне, часто наблюдаются улучшения дегидратации, формирования полотна и удержания тонкодисперсных частиц.

Рисунок 5. Комплексная Флоккуляция с Микрочастицами

Как уже упоминалось, средства для ретенции можно классифицировать на три основные категории: коагулянты, флокулянты и микрочастицы. Хотя неорганические коагулянты (например, различные алюминиевые соединения) распространены в некоторых сегментах бумажной промышленности, органические коагулянты, как правило, используются почти исключительно в производстве тиссью.

Типичные химические соединения включают полиамины, полиэтиленимины и поли-(DADMAC). Эти полимеры имеют относительно низкую молекулярную массу и высокую катионную плотность заряда. Флокулянты характеризуются высокой молекулярной массой и представляют собой сополимеры акриламида с катионными или анионными зарядами. Доступна широкая гамма плотностей заряда в зависимости от производительности и нормативных требований. Типичные микрочастицы включают коллоидный кремнезем и бентонит.

При использовании программы ретенции в машине для производства тиссью следует учитывать возможность достижения требуемых характеристик полотна, эффективное использование сырья, а также улучшение эффективности работы машины/производительности. Основное внимание в этой статье будет уделено потенциальным выгодным эффектам ретенции для развития покрытия на сушильном цилиндре янки и для производительности процесса крепирования. Однако наблюдаемое влияние в сухой части БДМ является кумулятивным и основано на улучшениях, сделанных на мокрой и прессовой частях БДМ.

2. Естественное развитие покрытия на сушильном цилиндре янки

С учетом постоянного развития и использования синтетических клеев для сушильных цилиндров янки, а также средств для их отделения и модификации, существует тенденция упускать из виду естественные компоненты тиссью, которые все еще способствуют образованию покрытия на цилиндре янки. Сегодня синтетические компоненты покрытия могут быть разработаны для конкретных условий крепирования, различных сортов бумаги и температурных и влажностных условий на цилиндре янки. Однако в недавнем прошлом естественные компоненты покрытия были основным средством, на которое опирались производители тиссью для достижения удовлетворительного покрытия на сушильном цилиндре. Эти естественные компоненты покрытия могут включать гемицеллюлозы, мелкие частицы волокон и фибриллярные материалы из листа, неорганические вещества, растворенные в воде, и химические добавки, используемые на мокрой части БДМ.

Предыдущие исследования и обзорные статьи показывают важность этих естественных компонентов покрытия для его формирования. Оливер изложил возможные механизмы формирования природного клеевого слоя в мокрой части БДМ. К ним относятся (a) образование клеевой пленки из растворенных и диспергированных гемицеллюлоз по мере того как вода испаряется на поверхности сушильного цилиндра янки; (b) перенос небольших фибриллярных материалов и мелких частиц волокон с листа на липкую клеевую пленку; и (c) поток и перенос гемицеллюлоз, покрывающих внешние части волокон, на поверхность сушильного цилиндра под воздействием тепла. Механизмы (a) и (c), описанные для гемицеллюлоз, также применимы к добавкам, используемым на мокрой части, таким как смолы для повышения прочности. Также можно представить, что fines, описанные в механизме (b), покрыты гемицеллюлозами и/или добавками для мокрой части, которые также способствуют формированию покрытия.

Работы Дрешфилда по сушке бумаги на горячей поверхности показали, как вода движется изнутри листа к обеим его поверхностям, где происходит испарение. Благодаря данным о миграции красителя и распределении влаги он смог показать, что максимальное содержание влаги содержится в зоне примерно 20–30% от общей толщины листа, с той стороны листа, которая была подвергнута воздействию открытого воздуха. Минимальное содержание влаги наблюдается на закрытой поверхности листа, контактирующей с нагретой металлической поверхностью (сушильной). Второе минимальное содержание влаги наблюдается на открытой поверхности. Эти результаты показаны на рисунке 6. Предполагая приблизительно равномерное распределение влаги по направлению Z в листе, выходящем из давления на вальце, рисунок 6 показывает распределение влаги в листе от поверхности янки к воздушной стороне.

Когда вода испаряется с поверхностей листа, растворимые органические и неорганические вещества, а также мелкие коллоидные материалы в воде остаются позади. Подобно выводам Дрешфилда о растворимом красителе, рисунок 7 концептуализирует концентрацию растворимых материалов на обеих сторонах листа – на стороне янки и открытой (воздушной) стороне. Эффект обратен тому, что показано на рисунке 6. Еще один способ визуализировать этот процесс показан на диаграмме на рисунке 8. Здесь растворимые материалы изображены красными точками, и показана концентрация из водной фазы на поверхности листа. Добавление этих материалов в пограничный слой покрытия на янки дополнительно изображено на рисунке 9. Теперь становится очевидным, как большинство производителей тиссью признают, почему увеличение сушки на янки (по сравнению с сушкой в камерах) может привести к увеличению естественного покрытия на сушильном цилиндре. Полная сушка на янки-цилиндре аналогична первоначальным экспериментам Дрешфилда, что приводит к большему испарению и осаждению растворимых материалов на закрытой поверхности. Увеличение сушки с использованием камер приведет к большему испарению воды с воздушной стороны листа и меньшему развитию естественного покрытия на поверхности янки-цилиндра.

Рисунок 6. Распределение влаги в листе во время сушки (по Дрешфилду)

Рисунок 7. Распределение растворимых материалов в листе во время сушки

Рисунок 8. Перемещение растворимых материалов на поверхности листа во время сушки

Рисунок 9. Перенос нерастворимых материалов с поверхности листа в пограничный слой покрытия на сушильном цилиндре янки

Неорганические материалы играют роль в развитии покрытия. В частности, широко признано, что жесткость воды в определенном диапазоне (Оливер утверждает, что 90-125 мг карбоната кальция на литр) полезна для развития покрытия. Обратная растворимость CaCO3 способствует осаждению этого материала из раствора на ранних этапах сушки и его вкладу в развитие покрытия. Шиель предоставляет концептуальное изображение неорганических материалов как дополнительных якорных точек для развития органического покрытия. Это неорганическое осаждение помогает стабилизировать покрытие и в итоге делает его более долговечным. Однако избыток неорганических веществ в покрытии — не самое лучшее решение, поскольку это может негативно повлиять на адгезию и долговечность покрытия.

Различные переменные, влияющие на химию мокрой части БДМ, такие как состав сырья, степень механической обработки, pH и функциональные добавки, также могут играть роль в развитии естественного покрытия. Эти переменные влияют на количество гемицеллюлозы, CaCO3 и добавок, которые могут участвовать в формировании естественного покрытия. Например, вклад добавок для сухой прочности в развитие покрытия хорошо известен. Распространенные добавки для прочности в сухом состоянии и большинство коммерческих клеев янки относятся к одному и тому же классу полимеров. Однако важным отличием является уровень кросс-сшивания функциональных групп, присутствующих в этих полимерах. Добавки для сухой прочности имеют значительно более высокий потенциал к дальнейшему кросс-сшиванию. Следовательно, относительно легко понять, что добавки для сухой прочности, используемые на влажном конце бумагоделательной машины, могут осаждаться на сушилке через ранее описанные механизмы и оказывать влияние на свойства покрытия. Активное кросс-сшивание добавок для сухой прочности в покрытии янки-цилиндра при сушке создаст покрытие, которое можно охарактеризовать как более жесткое и долговечное, но с меньшей адгезией. Рисунок 10 иллюстрирует увеличение долговечности для четырех различных добавок PAE. Каждая из добавок PAE имела разное количество активных мест для кросс-сшивания, при этом PAE 1 имела наибольшее количество таких мест, а PAE 4 — практически никаких. Лабораторные измерения показали, что растворимость уменьшалась с увеличением числа активных мест для кросс-сшивания.

Рисунок 10. Различия в долговечности PAE (по растворимости пленки)

Поскольку добавки для удержания увеличивают количество мелких частиц и коллоидных материалов в листе, они, очевидно, способствуют улучшению механизма естественного покрытия, описанного выше. Эти частицы и коллоиды могут переходить с листа и способствовать накоплению покрытия янки. Также возможно выведение большего количества растворимой гемицеллюлозы из водной фазы в виде комплексов с добавкой для удержания и осаждения на поверхностях волокон, что, в свою очередь, приведет к образованию покрытия на сухом конце машины. Эти компоненты могут затем перемещаться во время сушки с поверхности волокон в покрытие, как это описано в механизме естественного покрытия. Удержание большего количества функциональных добавок (например, для прочности в сухом состоянии) в листе также может сделать эти компоненты доступными для создания покрытия в сухой части машины. Эти изменения будут проявляться в увеличении толщины покрытия, а также возможных изменениях в адгезии, мягкости и долговечности покрытия. Важно отметить, что изменения в синтетических материалах, распыляемых на янки-цилиндр, могут быть сделаны для использования увеличенного покрытия, при этом сохраняя желаемые характеристики покрытия.

Для иллюстрации использованы фото Tissue Story

Источник: Tissue Story