Применение карбамидоформальдегидного олигомера для улучшения качества бумажнокартонной продукции

УДК

676.064.2:655.1

DOI:

10.37482/0536-1036-2020-6-182-193

Аннотация

Установлена целесообразность применения в меловальной пасте разработанной бинарной системы синтетических соединений, состоящей из карбамидоформальдегидного олигомера (2 мас. ч. к массе меловальной пасты) и латекса (16 мас. ч.). Она заменяет традиционно применяемый комплекс природных соединений: модифицированный крахмал (3 мас. ч.), Na-КМЦ – натрий-карбоксиметилцеллюлозу (2 мас. ч.) и казеиновый клей (1 мас. ч) в присутствии латекса (16…32 мас. ч.). Свойства полученных образцов меловальных паст соответствовали установленным нормам, о чем свидетельствовали вязкость по ВЗ-4 (13…17 с), содержание сухих веществ (50…54 %) и рН (9,0…10,5). Предложенный карбамидоформальдегидный олигомер совмещается с присутствующими компонентами и в отличие от природных соединений не повышает уровень вязкости меловальной пасты, обладает высокой когезионной силой, участвуя в «связывании» частиц пигментов между собой, имеет необходимую адгезионную способность для обеспечения прочной связи нанесенного меловального слоя с поверхностью бумаги и картона, не препятствует равномерному распределению частиц пигментов на поверхности основы и придает меловальной пасте стабильную устойчивость. Эти эффекты можно объяснить дополнительным присутствием в карбамидоформальдегидном олигомере положительно заряженных азотсодержащих групп – аминных и амидных. Последние способствуют усилению когезионных и адгезионных взаимодействий в меловальных пастах и сформированных из них меловальных покрытиях. Рассмотрение среза мелованной бумаги (картона) показало, что одна часть связующего вещества непосредственно примыкает к основе (бумаге (картону)), проникая в ее поры и капилляры, другая – окружает частицы пигментов, третья – занимает (полностью или частично) промежутки между частицами. На примере модельных образцов легкомелованной газетной бумаги и полиграфического картона показано повышение стойкости поверхности к выщипыванию и разрывной длины на 6,0…8,5 и 15…20 % соответственно, что позволяет рассматривать карбамидоформальдегидный олигомер как альтернативный заменитель природных соединений. При этом белизна (85…87 %) и гладкость (250…265 с) соответствуют установленным требованиям. Изменение рецептуры меловальной пасты является оправданным с экономической точки зрения, поскольку материальные затраты на производство мелованной бумажнокартонной продукции уменьшаются на 1…2 %.

Сведения об авторах

Н.В. Черная¹, д-р техн. наук, проф.; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8306-8590
Н.И. Богданович², д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: A-4662-2013,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5374-2943
С.В. Карпова¹, аспирант, ассистент; ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6966-4866
О.А. Мисюров¹, аспирант; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3338-9097
¹Белорусский государственный технологический университет, ул. Свердлова, д. 13а, г. Минск, Беларусь, 220006; e-mail: aspirantura.bgtu@tut.by, omisurov@mail.ru
²Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: n.bogdanovich@narfu.ru

Ключевые слова

меловальная паста, карбамидоформальдегидный олигомер, латекс, мелование, бумага, картон, качество

Для цитирования

Черная Н.В., Богданович Н.И., Карпова С.В., Мисюров О.А. Применение карбамидоформальдегидного олигомера для улучшения качества бумажно-картонной продукции // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 6. С. 182–193. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-6-182-193

Литература

1. Блинкова Т.Ф., Бондарев А.И. Новые бутадиенстирольные латексы для покрытий мелованной бумаги // Целлюлоза. Бумага. Картон. 1987. № 2. С. 5–9. [Blinkova T.F., Bondarev A.I. New Butadiene-Styrene Latexes for Coatings of Coated Paper. Tsellyuloza. Bumaga. Karton, 1987, no. 2, pp. 5–9].
2. Бондарев А.И. Производство бумаги и картона с покрытием. М.: Лесн. пром-сть, 1985. 192 с. [Bondarev A.I. Production of Coated Paper and Cardboard. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1985. 192 p.].
3. Елисеева В.И. Полимерные дисперсии. М.: Химия, 1980. 295 с. [Eliseyeva V.I. Polymer Dispersions. Moscow, Khimiya Publ., 1980. 295 p.].
4. Жолнерович Н.В., Николайчик И.В., Черная Н.В. Повышение эффективности применения карбамидоформальдегидных олигомеров в производстве технических видов бумаги из вторичного волокнистого сырья // Проблемы механики целлюлознобумажных материалов: материалы III Междунар. науч.-техн. конф. (Архангельск, 9–11 сентября 2015 г.). Архангельск: САФУ, 2015. С. 224–229. [Zholnerovich N.V., Nikolaichik I.V., Chernaya N.V. Improving the Application of Urea Formaldehyde Oligomers in the Production of Technical Paper from Recycled Cellulose Materials. The Issues in Mechanics of Pulp-and-Paper Materials: Proceedings of the 3rd International Conference in Memory of Professor Valery Komarov, Arkhangelsk, Russia, September 9–11, 2015. Arkhangelsk, NArFU Publ., 2015, pp. 224–229].
5. Жолнерович Н.В., Черная Н.В., Кот Ю.В. Влияние композиционного состава меловальной пасты на свойства мелованной бумаги // Тр. БГТУ. Сер. IV: Химия, технология органических веществ и биотехнология. 2010. Т. 1, № 4, вып. XVIII. С. 193–196. [Zholnerovich N.V., Chernaya N.V., Kot Yu.V. Influence of the Composition of the Coating Paste on the Properties of Coated Paper. Trudy BGTU. Seriya IV. Khimiya, tekhnologiya organicheskikh veshchestv i biotekhnologiya [Proceedings of BSTU. Series 4. Chemistry, Organic Substances Technology and Biotechnology], 2010, vol. 1, no. 4, iss. 18, pp. 193–196].
6. Карпова С.В., Черная Н.В. Изучение свойств мелованной бумаги при замене природного связующего на новое синтетическое // Химия и химическая технология переработки растительного сырья: материалы докл. Междунар. науч.-техн. конф. (Минск, 10–12 октября 2018 г.). Минск: БГТУ, 2018. С. 187–191. [Karpova S.V., Chernaya N.V. Studying the Properties of Coated Paper when Replacing a Natural Binder with a New Synthetic. Chemistry and Chemical Technology of Plant Raw Material Processing: Proceedings of the International Science and Technology Conference (Minsk, October 10–12, 2018). Minsk, BSTU Publ., 2018, pp. 187–191].
7. Киппхан Г. Энциклопедия по печатным средствам информации. Технология и способы производства. М.: МГУП, 2003. 1253 с. [Kipphan G. Encyclopedia of Printed Media. Technology and Methods of Production. Moscow, MGUP Publ., 2003. 1253 p.]
8. Кожевников С.Ю., Ковернинский И.Н. Химия и технология «СКИФ» для бумаги. М.: МГУЛ, 2010. 91 с. [Kozhevnikov S.Yu., Koverninskiy I.N. Chemistry and Technology “SKIF” for Paper. Moscow, MGUL Publ., 2010. 91 p.].
9. Кожевников С.Ю., Ковернинский И.Н. Межволоконные электростатические связи в бумаге // Химия растит. сырья. 2012. № 3. С. 197–202. [Kozhevnikov S.Iu., Koverninskii I.N. Interfiber Electrostatic Bonds in Paper. Khimija Rastitel’nogo Syr’ja [Chemistry of plant raw material], 2012, no. 3, pp. 197–202].
10. Остреров М.А., Курятников А.Б., Кудряшова Г.И. и др. Факторы, определяющие качество прохождения бумаги через печатную машину // Целлюлоза. Бумага. Картон. 1993. № 1. С. 26–27. [Ostrerov M.A., Kuryatnikov A.B., Kudryashova G.I. et. al. Factors Defining the Quality of Paper Passing through the Printing Machine. Tsellyuloza. Bumaga. Karton, 1993, no. 1, pp. 26–27].
11. Попеня Т.В., Драпеза А.А., Черная Н.В., Жолнерович Н.В. Влияние композиционного состава меловальной пасты на свойства полиграфических видов бумаги // Тр. БГТУ. Сер. IV: Химия, технология органических веществ и биотехнология. 2011. № 4(142). С. 152–154. [Popenya T.V., Drapeza A.A., Chernaya N.V., Zholnerovich N.V. Influence of the Composition of the Coating Paste on the Properties of Coated Paper. Trudy BGTU. Seriya IV: Khimiya, tekhnologiya organicheskikh veshchestv i biotekhnologiya [Proceedings of BSTU. Series 4. Chemistry, Organic Substances Technology and Biotechnology], 2011, no. 4(142), pp. 152–154].
12. Терехина И.Л. Использование сополимеров на основе винилацетата в качестве связующих покрытий мелованной бумаги: автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 1983. 18 с. [Terekhina I.L. The Use of Copolymers Based on Vinyl Acetate as Binder Coatings of Coated Paper: Cand. Eng. Sci. Diss. Abs. Moscow, 1983. 18 p.].
13. Технология целлюлозно-бумажного производства: справ. материалы. В 3 т. Т. II. Производство бумаги и картона. Ч. 2. Основные виды и свойства бумаги, картона, фибры и древесных плит / М.А. Остреров [и др.] СПб.: Политехника, 2006. 499 с. [Technology of Pulp and Paper Production: Reference Data. In 3 vol. Vol. 2. Production of Paper and Cardboard. Part 2. The Main Types and Properties of Paper, Cardboard, Fiber and Wood Boards. M.A. Osterov et al. Saint Petersburg, Politekhnika Publ., 2006. 499 p.].
14. Хованский В.В., Дубовый В.К., Кейзер П.М. Применение химических вспомогательных веществ в производстве бумаги и картона. СПб., 2013. 151 с. [Khovanskiy V.V., Dubovyy V.K., Keyzer P.M. The Use of Chemical Excipients in the Production of Paper and Cardboard. Saint Petersburg, 2013. 151 p.].
15. Черная Н.В. Теория и технология клееных видов бумаги и картона: моногр. Минск: БГТУ, 2009. 394 с. [Chernaya N.V. Theory and Technology of Glued Types of Paper and Cardboard: Monograph. Minsk, BSTU Publ., 2009. 394 p.].
16. Черная Н.В., Флейшер В.Л., Чернышева Т.В., Карпова С.В., Мисюров О.А. Влияние рецептуры меловальной пасты на свойства полиграфического картона // Технология органических веществ: докл. 83-й науч.-техн. конф. (Минск, 4–15 февраля 2019 г.). Минск: БГТУ, 2019. С. 39–41. [Chernaya N.V., Fleysher L.V., Chernysheva T.V., Karpova S.V., Misyurov O.A. Influence of the Coating Paste Formulation on the Properties of Polygraphic Cardboard. Technology of Organic Substances: Proceedings of the 83rd Scientific and Technical Conference (Minsk, February 4–15, 2019). Minsk, BSTU Publ., 2019, pp. 39–41].
17. Черная Н.В., Флейшер В.Л., Чернышева Т.В., Мисюров О.А., Карпова С.В. Влияние массоемкости и состава элементарных слоев полиграфического картона на его потребительские свойства // Технология органических веществ: докл. 83-й науч.-  техн. конф. (Минск, 4–15 февраля 2019 г.). Минск: БГТУ, 2019. С. 36–38. [Chernaya N.V., Fleyscher L.V., Chernysheva T.V., Misyurov O.A., Karpova S.V. Influence of Mass Capacity and Composition of Elementary Layers of Polygraphic Cardboard on Its Consumer Properties. Technology of Organic Substances: Proceedings of the 83rd Scientific and Technical Conference (Minsk, February 4–15, 2019). Minsk, BSTU Publ., 2019, pp. 36–38].
18. Шабиев Р.О., Смолин А.С. Анализ электрокинетических параметров бумажной массы. СПб., 2012. 80 с. [Shabiyev R.O., Smolin A.S. Analysis of Electrokinetic Parameters of Paper Pulp. Saint Petersburg, 2012. 80 p.].
19. Bicu I., Mustaţă F. Water Soluble Polymers from Diels-Alder Adducts of Abietic Acid as Paper Additives. Macromolecular Materials and Engineering, 2000, no. 280-281, iss. 1, pр. 47–53.
20. Eklund G. Die Vorgange unter dem Schaber beim Glattachaber-Streichen. Wochenblatt für Papierfabrikation, 1978, Nr. 18, S. 709–714.
21. Kotitschke G. “Triple Star” – The State of the Art and Most Efficient Production Line in the World for Woodfree Cjfted Papers. Voith, 2002. 186 p.
22. Loretzen A., Wetter N. Paper Testing and Process Optimization. L & Handbook, 2000. 218 p.
23. Zholnerovich N.V., Nikolaychik I.V., Chernaya N.V. Influence of UreaFormaldehyde Oligomer Composition on Technical Paper Properties. Proceedings of BSTU, 2014, no. 4(en), pp. 125–127.

Ссылка на английскую версию:

Application of Urea-Formaldehyde Oligomer for Quality Improvment of Paper and Cardboard Products

APPLICATION OF UREA-FORMALDEHYDE OLIGOMER FOR QUALITY IMPROVMENT OF PAPER AND CARDBOARD PRODUCTS

N.V. Chornaya¹, Doctor of Engineering, Prof.; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8306-8590
N.I. Bogdanovich², Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: A-4662-2013, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5374-2943
S.V. Karpova¹, Postgraduate Student, Assistant; ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6966-4866
O.A. Misyurov¹, Postgraduate Student; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3338-9097
¹Belarusian State Technological University, ul. Sverdlova, 13a, Minsk, 220006, Republic of Belarus; e-mail: aspirantura.bgtu@tut.by, omisurov@mail.ru
²Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: n.bogdanovich@narfu.ru

The applicability of the developed binary system of synthetic compounds in coating paste, consisting of urea-formaldehyde oligomer (2 pts. wt. to the coating paste weight) and latex (16 pts. wt.), is found. It replaces the generally used complex of natural compounds, such as modified starch (3 pts. wt.), Na-CMC (2 pts. wt.), and casein glue (1 pts. wt.), in the presence of latex (16–32 pts. wt.). The properties of the coating paste samples met the standards, as evidenced by the viscosity according to the viscometer VZ-4 (13–17 s), the content of dry substances (50–54 %) and pH (9.0–10.5). The proposed urea-formaldehyde oligomer is combined with the present components and, as compared to natural compounds, does not increase the viscosity of the coating paste, has a high cohesive force, participating in the binding of pigment particles with one another, has the necessary adhesive capacity for ensuring a stable bond of the applied coating layer with the surface of paper and cardboard, does not prevent the uniform distribution of pigment particles on the base surface, and gives stability to the coating paste. These phenomena can be explained by the supplementary presence of positively charged nitrogen-containing groups (amine and amide) in the urea formaldehyde oligomer. The latter contribute to the enhancement of cohesive and adhesive interactions in coating pastes and coatings composed of them. Assessment of a section of the coated paper (cardboard) showed that one part of the binder adjoins the base (paper, cardboard) penetrating into its pores and capillaries, the other surrounds the pigment particles, and the third occupies (completely or partially) the spaces between the particles. An increase in the surface resistance to plucking and breaking length by 6.0–8.5 and 15–20 %, respectively, is shown on the samples of light-coated newsprint and polygraphic cardboard. This allows considering the urea-formaldehyde oligomer as an alternative to natural compounds. Herewith, whiteness (85–87 %) and smoothness (250–265 s) meet the requirements. Changing the formulation of the coating paste is economically justified, since material costs for the production of coated paper and cardboard products are reduced by 1–2 %.
For citation: Chornaya N.V., Bogdanovich N.I., Karpova S.V., Misyurov O.A. Application of Urea-Formaldehyde Oligomer for Quality Improvment of Paper and Cardboard Products. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 6, pp. 182–193. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-6-182-193

Keywords: coating paste, urea-formaldehyde oligomer, latex, coating, paper, cardboard, quality.

Поступила 20.01.20 / Received on January 20, 2020