Катионный стирол-акриловый агент для проклеивания поверхности: повышение водостойкости и прочности поверхности бумаги
Введение
Поверхностное проклеивание является незаменимым процессом в современном бумажном производстве, выступая в качестве ключевого этапа, позволяющего улучшить эксплуатационные характеристики бумаги за счет образования защитной пленки на её поверхности. Среди различных синтетических поверхностных проклеивающих веществ, доступных на сегодняшний день, стирол-акриловые эмульсии (SAE) стали одним из наиболее быстро развивающихся и широко применяемых решений в бумажной промышленности. Эти сополимеры стирола и акрилатных мономеров обладают исключительными пленкообразующими свойствами, низкой вязкостью и превосходной совместимостью с системами проклеивания на основе крахмала.
Катионные стирол-акриловые средства для поверхностной проклейки представляют собой значительный прорыв в данной технологии. Благодаря включению катионных мономеров или использованию катионных эмульгаторов в процессе полимеризации эти средства приобретают положительный заряд, что обеспечивает сильное электростатическое притяжение к отрицательно заряженной поверхности бумажного волокна. Именно эта фундаментальная характеристика лежит в основе их исключительной эффективности в повышении водостойкости, прочности поверхности и печатаемости, что делает их незаменимыми для производства высококачественной писчей бумаги, бумаги для офсетной печати и упаковочных сортов.
В данной статье представлен всесторонний технический обзор катионных стирол-акриловых средств для проклеивания поверхности, в котором рассматриваются механизм их действия, эксплуатационные характеристики и практическое применение на современных бумажных фабриках.
Технические принципы и состав ядра
Катионные стирол-акриловые средства для проклеивания поверхностей получают путем эмульсионной сополимеризации стирола (St) в качестве твёрдого мономера и бутилакрилата (BA) в качестве мягкого мономера с добавлением катионных мономеров, таких как метилхлорид диметиламиноэтилметакрилата (DMC) или других четвертичных аммониевых соединений. Полученная полимерная эмульсия обычно представляет собой светло-коричневую жидкость с содержанием твердого вещества 20±1%, значением pH в диапазоне 3–5 и превосходной растворимостью в воде.
Молекулярная архитектура этих сополимеров тщательно разработана с целью обеспечения баланса между гидрофобностью и гибкостью пленки. Стироловый компонент вносит в состав жесткие ароматические кольца, которые усиливают гидрофобные барьерные свойства высохшей пленки, в то время как акрилатный компонент обеспечивает гибкость цепи, предотвращая чрезмерную ломкость бумаги. Катионные группы — как правило, соли четвертичного аммония — распределены вдоль полимерной цепи, что обеспечивает прочную ионную связь с анионными участками на волокнах целлюлозы.
При нанесении поверхностного проклеивания катионный SAE, как правило, разбавляется до концентрации 1–5% и наносится с помощью проклеивающего пресса или методом распыления. Положительный заряд частиц эмульсии способствует их быстрой адсорбции на отрицательно заряженной поверхности волокна, обеспечивая равномерное покрытие и эффективное удержание. По мере высыхания проклеивающей пленки гидрофобные стирольные сегменты ориентируются в сторону границы раздела с воздухом, создавая низкоэнергетическую поверхность, которая эффективно предотвращает проникновение воды.
Механизмы действия
Электростатическая адсорбция и сцепление волокон
Основным механизмом, лежащим в основе эффективности катионных поверхностных проклеивающих веществ SAE, является электростатическое притяжение. В водной суспензии волокна бумаги несут суммарный отрицательный заряд из-за диссоциации карбоксильных групп на целлюлозе. Катионные частицы SAE, несущие положительный заряд благодаря своим четвертичным аммониевым группам, спонтанно притягиваются к этим отрицательно заряженным поверхностям волокон и адсорбируются на них.
Исследования показали, что бумага, прошедшая проклеивание катионным SAE, демонстрирует более высокую поверхностную прочность и более низкие значения по шкале Кобба по сравнению с бумагой, прошедшей проклеивание анионным SAE, катионным крахмалом или окисленным крахмалом в отдельности. Эти превосходные эксплуатационные характеристики объясняются более прочной ионной связью между катионным полимером и анионной поверхностью волокна, что улучшает как удержание, так и образование пленки.
Синергетическое взаимодействие с крахмалом
В промышленной практике катионные поверхностные проклеивающие агенты SAE практически всегда используются в сочетании с крахмалом — как правило, окисленным крахмалом или катионным крахмалом — в качестве основного проклеивающего носителя. Такое сочетание создает синергетический эффект, который значительно превосходит эффективность каждого из компонентов в отдельности.
Механизм этой синергии был тщательно изучен. Крахмал служит временным носителем для гидрофобного сополимера SAE в водном растворе. В процессе высыхания крахмальной пленки на поверхности бумаги гидрофобный сополимер стремится мигрировать к границе раздела с воздухом, благодаря чему низкоэнергетические функциональные группы — такие как стирол или алкильные цепи — обращаются наружу. Эта миграция создает высокоэффективный гидрофобный барьер, в то время как крахмальный компонент служит пленкообразующей матрицей и способствует повышению прочности поверхности.
Исследования показали, что добавление стирол-акрилового сополимера в проклеивающие составы на основе крахмала значительно повышает гидрофобность поверхности бумаги, причем степень улучшения зависит от состава и концентрации сополимера. Сообщается, что степень гидрофобизации зависит не только от дозировки гидрофобной добавки, но и от её молекулярной массы и ионной формы.
Образование пленки и морфология поверхности
Результаты сканирующей электронной микроскопии показали, что бумага, прошедшая проклеивание смесью окисленного крахмала и катионного SAE, имеет более гладкую морфологию поверхности по сравнению с бумагой, прошедшей проклеивание только окисленным крахмалом или окисленным крахмалом в сочетании с анионным SAE. Такая более гладкая поверхность имеет решающее значение для улучшения печатных характеристик, снижения расхода чернил и достижения более четкого разрешения печати.
Сополимер укрепляет бумагу, обволакивая волокна целлюлозы и образуя с ними сеть химических и физических связей. Эта трехмерная сетевая структура способствует как повышению прочности поверхности, так и прочности внутренних связей, что приводит к улучшению механических свойств.
Эксплуатационные характеристики и технические данные
Водонепроницаемость
Наиболее значимым преимуществом катионной проклейки поверхности по стандарту SAE является резкое повышение водостойкости, которое обычно измеряется по показателю Кобба (количество воды, впитываемое поверхностью бумаги за определенный промежуток времени).
В ходе исследований удалось количественно оценить это улучшение, причем результаты различных исследований демонстрируют поразительную согласованность:
- Когда доля стирола составляла 80% от общего количества мономера, поверхность бумаги, проклеенная полимером SAE в сочетании с окисленным крахмалом, демонстрировала Снижение показателя Кобба на 51,81 TP3T, а также повышение прочности поверхности на 58,01 TP3T и увеличение прочности на разрыв на 5,21 TP3T по сравнению с бумагой, прошедшей проклеивание исключительно окисленным крахмалом.
- Катионные поверхностно-проклеивающие вещества на основе стирол-акрилатной микроэмульсии демонстрируют значения по шкале Кобба (30 с) на уровне всего 16.5, при этом предел прочности на разрыв и прочность поверхности увеличились на 35,01 TP3T и 40,61 TP3T соответственно по сравнению с бумагой без проклейки.
- Эпоксидно-сшитые модифицированные стирол-акрилатные эмульсии продемонстрировали значения по шкале Кобба, равные 9,83 г/м², что свидетельствует о исключительной водостойкости.
- Катионные силиконо-акриловые латексные средства для проклеивания поверхностей позволили достичь Снижение показателя Кобба на 40% и 20% — увеличение показателя кольцевого сжатия по сравнению с бумагой, проклеенной чистым крахмалом.
Эти показатели эффективности свидетельствуют о том, что правильно сформулированные катионные пропиточные средства для поверхностей SAE позволяют снизить значения по шкале Кобба до уровня ниже 25 г/м², что соответствует строгим требованиям высококачественной полиграфии и упаковочной промышленности.
Повышение прочности поверхности
Прочность поверхности — сопротивляемость поверхности бумаги отслоению и расслоению в процессе печати — является еще одним важнейшим эксплуатационным параметром, который значительно улучшается благодаря катионному проклеиванию поверхности по методу SAE.
В ходе исследований было зафиксировано повышение прочности поверхности на 15–20% с типичными коммерческими составами. В частности:
- Исследования эмульсий сополимера стирола и акрилата, нанесенных на крафт-целлюлозу из багассы, показали, что бумага, обработанная SAE с жесткой цепью 3%, демонстрировала 13%: повышение предела прочности на разрыв и 64%: увеличение длины разрыва.
- Использование сополимера стирола и акрилата в сочетании с полиэтиленгликолем при нанесении поверхностного проклеивания позволило повысить прочность бумаги на разрыв примерно на 15% по сравнению с эталонными образцами.
- Достигнуто нанесение поверхностного покрытия с использованием стирол-акрилатной микроэмульсии 40,61 TP3T — повышение прочности поверхности.
Сопротивление деформации при сжатии и механические свойства
Для таких видов картона, используемых в упаковочной промышленности, как гофропрослойка, подкладочный картон и картон для изготовления коробок, прочность на кольцевое сдавливание является ключевым показателем качества. Катионные поверхностные проклеивающие агенты SAE продемонстрировали способность значительно повышать прочность на кольцевое сдавливание.
Улучшение механических свойств объясняется укрепляющим действием сополимера, который образует сеть химических и физических связей с волокнами целлюлозы. Такая сетевая структура способствует улучшению как поверхностных свойств, так и прочности внутренних связей бумаги.
Руководство по подаче заявок
Приготовление и разведение
Катионные поверхностные проклеивающие агенты SAE обычно поставляются в виде концентрированных эмульсий с содержанием твердого вещества 20±1%. Перед применением агент следует разбавить до соответствующей рабочей концентрации — обычно 1–5% — с использованием чистой воды при комнатной температуре. Разбавленный проклеивающий раствор следует тщательно перемешать для обеспечения однородной дисперсии.
Данный добавка чаще всего применяется в сочетании с крахмалом, как правило, в дозировке 5–8% от содержания сухих веществ крахмала. Оптимальное соотношение следует определять с учетом конкретного сорта бумаги, заданных эксплуатационных показателей и условий работы машины.
Способы применения
Разбавленный клей можно наносить различными способами:
- Заявка на печать размера: Наиболее распространённый метод, при котором бумажная полоса проходит через зазор между двумя валками, которые одновременно наносят проклеивающий раствор на обе поверхности.
- Нанесение покрытия распылением: Подходит для задач, требующих точного контроля веса наносимого покрытия.
- Определение размеров пленки для переноса: Этот метод, который всё чаще применяется на современных высокоскоростных бумагоделательных машинах, предполагает использование дозирующего валика для нанесения на поверхность бумаги точно дозированного слоя проклеивающего раствора.
Хранение и обращение
Катионные поверхностно-активные вещества SAE следует хранить в прохладном, защищённом от прямых солнечных лучей месте. Срок хранения при комнатной температуре обычно составляет 3 месяца. Контейнеры необходимо хранить в плотно закрытом виде, чтобы предотвратить испарение воды, которое может изменить содержание твердых веществ и повлиять на эксплуатационные характеристики.
Во время работы с препаратом и его применения следует использовать соответствующие средства индивидуальной защиты, в том числе защитные перчатки, чтобы избежать прямого контакта с кожей.
Преимущества по сравнению с альтернативными химическими составами
Катионные поверхностные проклеивающие агенты SAE обладают рядом явных преимуществ по сравнению с альтернативными химическими составами для поверхностного проклеивания:
- Превосходная водостойкость: Гидрофобный стироловый компонент обеспечивает превосходные барьерные свойства, которые значительно превосходят показатели проклейки, выполненной исключительно на основе крахмала.
- Повышенная прочность поверхности: Катионный характер обеспечивает прочную связь с волокнами, что приводит к повышенной стойкости к срыву и улучшенной печатаемости.
- Совместимость с щелочным способом производства бумаги: Катионные поверхностно-активные вещества SAE эффективно работают в нейтральных и щелочных системах, содержащих наполнители на основе карбоната кальция.
- Снижение образования пыли и ворса: Гладкая сплошная пленка, образующаяся на поверхности бумаги, сводит к минимуму выпадение волокон во время печати и последующей обработки.
- Возможность замены внутренней калибровки: В некоторых областях применения катионная поверхностная проклейка SAE может частично или полностью заменить внутренние проклеивающие вещества, что позволяет сократить общие затраты на химикаты.
- Широкий диапазон рабочих параметров: Химический состав SAE специально разработан для устранения недостатков современных химических составов для поверхностного проклеивания, в том числе пенообразования, чувствительности к pH и низкой устойчивости к концентрации солей в растворе проклеивающего пресса.
Применение различных сортов бумаги
Катионные стирол-акриловые средства для проклеивания поверхности находят применение при производстве широкого спектра сортов бумаги и картона:
Бумага для письма и печати: В случае бумаги для облигаций, копировальной бумаги и бумаги для офсетной печати данный агент повышает прочность поверхности, снижает образование ворса и улучшает качество печати, обеспечивая при этом водостойкость, необходимую для совместимости с водными чернилами.
Бумага и картон для упаковки: В случае линерборда, гофроматериала и крафт-бумаги с белым верхним слоем данный агент значительно повышает кольцевую прочность и водостойкость, что способствует улучшению эксплуатационных характеристик коробок в условиях высокой влажности.
Бумага, предназначенная для контакта с пищевыми продуктами: При условии наличия соответствующих сертификатов пищевого назначения катионные поверхностно-активные вещества SAE могут применяться в производстве пищевой упаковки, где требуется контролируемое водопоглощение.
Специализированные статьи: Данный агент также подходит для различных специальных применений, включая бумагу для этикеток, антиадгезионные подложки и промышленную бумагу, где свойства поверхности имеют решающее значение.
Заключение
Катионные стирол-акриловые средства для проклеивания поверхности представляют собой отработанную и высокоэффективную технологию, позволяющую повысить водостойкость, прочность поверхности и печатаемость бумаги и картона. Катионный характер этих сополимеров обеспечивает прочное электростатическое сцепление с отрицательно заряженными волокнами бумаги, а гидрофобный стироловый компонент придает материалам превосходные барьерные свойства.
При использовании в сочетании с крахмалом — что является стандартной практикой в промышленности — катионные SAE-агенты образуют синергетическую систему, которая значительно превосходит по эффективности каждый из компонентов в отдельности. Гидрофобный сополимер мигрирует к границе раздела с воздухом в процессе сушки, создавая низкоэнергетическую поверхность, препятствующую проникновению воды, в то время как крахмал служит пленкообразующей матрицей.
Данные количественных испытаний показывают, что правильно сформулированные катионные поверхностные проклеивающие агенты SAE позволяют снизить показатели Кобба более чем на 50%, повысить поверхностную прочность до 58% и увеличить прочность на разрыв на 13% и более. Эти улучшения напрямую приводят к повышению качества готовой продукции, сокращению отходов и повышению удовлетворённости клиентов.
Для бумажных фабрик, стремящихся оптимизировать процессы поверхностного проклеивания, сократить расходы на химикаты и повысить качество продукции, катионные стирол-акриловые агенты для поверхностного проклеивания представляют собой проверенное, научно обоснованное решение, которое позволяет достичь как технологических, так и экономических целей.
Компания LY Chem Technology Co., Ltd. предлагает широкий ассортимент катионных стирол-акриловых проклеивающих средств, разработанных для удовлетворения разнообразных потребностей бумажной промышленности. Наша продукция имеет сертификаты FDA, SGS и RoHS, что позволяет нам поставлять её на экспортные рынки Юго-Восточной Азии, Ближнего Востока и Африки. Для получения технической консультации или образцов продукции, пожалуйста, обращайтесь к нашей команде специалистов по химикатам для бумажной промышленности.
Russian 
English 
Arabic 
Portuguese 
Spanish 
Vietnamese