Агенты для проклеивания бумаги: всесторонний технический обзор химического состава, классификации и областей применения

1. Введение: Основы характеристик бумаги

Проклеивающие вещества для бумаги — это химические добавки, необходимые в процессе производства бумаги, которые придают бумаге устойчивость к воздействию воды, чернил и других жидкостей, одновременно повышая её прочность, гладкость и печатаемость. Без проклеивания большинство бумажных изделий впитывали бы жидкости неконтролируемо, что делало бы их непригодными для письма, печати или использования в качестве упаковки.

Проклеивающие вещества действуют за счет изменения поверхностных свойств целлюлозных волокон. Эти химические вещества содержат как гидрофильные, так и гидрофобные молекулярные группы; при нанесении на бумажные волокна гидрофобные группы ориентируются наружу, создавая барьер, который отталкивает жидкости, при этом сохраняя структурную целостность бумаги.

Мировой рынок проклеивающих веществ для бумаги продолжает расти благодаря растущему спросу на высококачественную упаковочную бумагу и переходу к экологически устойчивым методам производства бумаги. Только рынок проклеивающих веществ для поверхности бумаги был оценен в US$ 1 114 млн в 2024 году и, по прогнозам, достигнет US$ 1 505 млн к 2031 году, демонстрируя совокупный годовой темп роста (CAGR) на уровне 4,81 TP3T.

LY Chem Technology Co., Ltd. , обладая более чем двадцатилетним опытом в производстве химикатов для бумажной промышленности, предлагает широкий ассортимент проклеивающих составов, в том числе наши проклеивающие составы на основе канифоли LY-CRS и LY-ARS, проклеивающие агенты на основе AKD LY-AKD301 и LY-AKD302, а также поверхностный проклеивающий агент на основе стирол-акрилата LY-BB201, — разработанных с учетом разнообразных потребностей современных производителей бумаги.

2. Историческое развитие: от желатина до современных синтетических материалов

2.1 Эпоха проклеивания желатином

В XVIII и начале XIX веков проклеивание бумаги в основном осуществлялось с помощью сочетания желатин и квасцы (сульфат алюминия). Этот метод, хотя и был эффективным, но был дорогостоящим и трудоемким, что ограничивало производственные мощности по выпуску бумаги.

2.2 «Розиново-квасочная революция» (1807 г.)

Изобретение клей из квасцов и канифоли Изобретение, сделанное Морицем Фридрихом Иллигом в Германии в 1807 году, стало поворотным моментом в истории бумажного производства. Канифоль, получаемая из сосны, оказалась значительно дешевле желатина, что способствовало быстрому развитию бумажной промышленности.

Примерно с 1850 по 1950 год бумага проклеивалась внутри с использованием канифоли и бумажного квасца при кислом pH, как правило, в диапазоне от 4 до 5. Эта кислотная система, хотя и была экономичной, накладывала значительные ограничения:

• Пожелтение и хрупкость бумаги: Кислая среда способствовала гидролизу клетчатки
• Коррозия оборудования: Кислая среда ускорила износ деталей бумагоделательной машины
• Невозможность использования наполнителей на основе карбоната кальция: Щелочные наполнители нельзя использовать в кислых системах
• Ограниченная долговечность бумаги: Кислотосодержащая бумага со временем подвергается разложению

2.3 Революция АКД (1956 г.)

Развитие Димер алкилкетена (AKD) Производимые компанией Hercules Inc. в 1950-х годах проклеивающие вещества — впервые выведенные на рынок в 1955 году под названием «Aquapel» — ознаменовали кардинальный сдвиг в технологии производства бумаги. Эмульсии AKD сразу же завоевали признание на рынке благодаря своей высокой эффективности и экономичности по сравнению с традиционным проклеивающим составом на основе канифоли и квасцов.

В отличие от проклеивания на основе канифоли, которое основано на физическом осаждении и ионных взаимодействиях, AKD образует ковалентные связи с волокнами целлюлозы. Данный механизм химической связи обеспечивает:

• Более выраженный и стойкий эффект от проклейки по сравнению с канифолью
• Нейтральные/щелочные условия бумагоделания, снижая коррозию оборудования
• Совместимость с наполнителями на основе карбоната кальция, снижение производственных затрат
• Повышенная долговечность бумаги без пожелтения и без потери прочности

2.4 Появление технологии проклеивания поверхности

Технология поверхностного проклеивания возникла около 1930 года с появлением вертикальных вальцовых прессов для поверхностного проклеивания. Первоначально эта технология применялась лишь в узкоспециализированных областях, таких как производство бумаги для банкнот и защищенной бумаги, однако со временем поверхностное проклеивание стало стандартным процессом обработки бумаги во всей отрасли.

Сегодня проклеивание поверхности признано незаменимым процессом в современном бумагоделании, а сфера его применения охватывает производство бумаги для печати, упаковочной бумаги, гофрокартона и бумаги, предназначенной для контакта с пищевыми продуктами.

3. Классификация протравителей

В зависимости от способа нанесения разрыхлители условно подразделяются на две категории: внутренние разрыхлители и агенты для проклеивания поверхности.

3.1 Внутренние разрыхлители

Внутренние проклеивающие вещества добавляются в целлюлозную массу на мокрой части бумагоделательной машины. Они замедляют проникновение воды за счет молекулярной диффузии и распределяются по всему листу.

Основные категории включают:

Проклеивающие вещества на основе канифоли — Традиционный «рабочий конь» отрасли. Для проклеивания канифолью обычно требуются кислые условия, которые поддерживаются с помощью квасцов (сульфата алюминия). Размеры диспергированной канифоли обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными проклеивающими составами на основе омыленной канифоли, позволяя сократить расход как канифоли, так и сульфата алюминия на 30–50%, а также обеспечивая возможность проклеивания в нейтральных условиях.

Димер алкилкетена (AKD) — Реактивный проклеивающий агент, образующий ковалентные эфирные связи с целлюлозными волокнами. AKD обеспечивает возможность производства бумаги в нейтральных/щелочных условиях, снижает коррозию оборудования и позволяет использовать наполнители на основе карбоната кальция. Для отбеленной целлюлозы дозировка AKD обычно составляет 0,10–0,30%.

Алкилнисукциновый ангидрид (ASA) — Еще один реактивный проклеивающий агент, который быстро образует проклейку на бумагоделательной машине. ASA обладает преимуществом в виде образования проклейки непосредственно на машине, однако требует более осторожного обращения из-за более низкой стабильности эмульсии.

3.2 Агенты для проклеивания поверхности

Поверхностные проклеивающие вещества наносятся на поверхность уже сформированной бумаги на проклеивающем прессе, как правило, в конце сушильной секции. Поверхностное проклеивание создает на поверхности листа защитную пленку, которая препятствует впитыванию и просачиванию, а также скрепляет поверхностные волокна, что позволяет уменьшить пылеобразование и образование ворса.

К распространенным средствам для пропитки поверхностей относятся:

• Крахмал и производные крахмала: Наиболее широко используемые средства для проклеивания поверхностей, обладающие превосходными пленкообразующими свойствами и способствующие повышению прочности
• Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) : Повышает прочность поверхности и улучшает печатаемость
• Поливиниловый спирт (ПВС) : Обладает превосходными пленкообразующими свойствами и маслостойкостью
• Сополимеры стирола и малеинового ангидрида (SMA) : Синтетические полимеры, которые значительно улучшают гидрофобность, водостойкость, печатаемость и внешний вид поверхности

4. Физико-химические свойства основных проклеивающих веществ

4.1 Размер частиц диспергированной канифоли

Диспергированный канифольный клей обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным омыленным канифольным клеем:

• Экономия химикатов: Снижает расход канифоли и сульфата алюминия на 30–50%
• Возможность выбора нейтрального размера: Обеспечивает нейтральные условия производства бумаги, повышая водостойкость бумаги
• Оптимальная температура эмульгирования: Наилучшие результаты достигаются при температуре 140–150 °C
• Требования к диспергаторам: 7–81 TP3T — диспергатора обычно достаточно
• Низкое пенообразование: Минимальное образование пены в процессе производства
• Нетоксичный производственный процесс: Экологически безопасное производство

4.2 АКД (димер алкилкетена)

AKD представляет собой бледно-желтое воскообразное твердое вещество с низкой температурой плавления (обычно 43–55 °C), нерастворимое в воде. К его основным характеристикам относятся:

• Механизм реактивного проклеивания: Образует ковалентные β-кетоэфирные связи с гидроксильными группами целлюлозы
• Высокая эффективность: Для обеспечения эффективного проклеивания требуется совсем небольшое количество реакционного АКД
• Применение в нейтральной/щелочной среде: Эффективно работает при значении pH 7–9
• Требования к отверждению: Как правило, для полного проявления размера требуется 12–24 часа при комнатной температуре

4.3 Поверхностные проклеивающие вещества на основе стирола и малеинового ангидрида (SMA)

Сополимеры SMA — это водорастворимые или вододиспергируемые синтетические полимеры, обладающие следующими свойствами:

• Превосходная гидрофобность: Превосходная водостойкость
• Улучшенная печатаемость: Улучшенная удерживаемость чернил и качество печати
• Повышение прочности поверхности: Снижение образования пыли и образования скоплений
• Снижение пористости: Запечатывает поверхностные поры для улучшения барьерных свойств

5. Методы производства

5.1 Проклейки на основе канифоли

Проклеивающие вещества на основе лигнина и канифоли: Метод приготовления заключается в растворении лигнина и канифоли в безводном этаноле в массовом соотношении 1:0,25–4 с последующим перемешиванием и сушкой для получения порошкообразного продукта. Такой подход упрощает процесс приготовления и одновременно повышает прочность бумаги.

Анионные проклеивающие вещества на основе канифоли: Производится с использованием собственного производства анионных сополимеров акриловой кислоты для эмульгирования канифоли при оптимальном массовом соотношении канифоли к эмульгатору 1:1.

5.2 Производство AKD

В традиционном промышленном методе получения АКД в качестве кислотосвязывающего агента используется триэтиламин, который способствует самополимеризации хлоридов жирных кислот с образованием димеров алкилкетена с кольцевой структурой (АКД).

Синтез АКД без использования растворителей стало основным направлением развития. Этот процесс позволяет исключить использование органических растворителей в производстве, что позволяет устранить опасения, связанные с остатками растворителей и воздействием на окружающую среду.

5.3 Производство поверхностных проклеивающих веществ

Сополимеры стирола и малеинового ангидрида: Поверхностные проклеивающие вещества SMA получают путем сополимеризации стирола и малеинового ангидрида. Аммониевая соль стирола и малеинового ангидрида была признана эффективным поверхностным проклеивающим веществом.

Катионные проклеивающие вещества: Получается в результате реакции α-олефинов с малеиновым ангидридом, с последующей имидизацией с помощью полиаминов, содержащих третичные и первичные аминогруппы, и, наконец, кватернизацией с эпихлоргидрином в присутствии воды.

6. Стратегии применения и синергетические эффекты

6.1 Применение метода определения размеров внутри конструкции

Внутреннее уплотнение подходит для применений, где требуется защита от проникновения воды:

• Картон для упаковки жидкостей: Материал AKD обладает превосходной стойкостью к воздействию фруктовых соков, молочной кислоты и других агрессивных сред
• Гофрированный материал: Обеспечивает устойчивость к сжатию и влагостойкость
• Бумага для письма и печати: Традиционное проклеивание канифолью или проклеивание AKD в зависимости от требований к качеству
• Бумага для пакетов для фруктов: Водостойкость для защиты фруктов от повреждений, вызванных влагой

6.2 Применение проклеивания поверхности

Пропитка поверхности обладает рядом явных преимуществ для областей применения, требующих превосходных свойств поверхности:

• Бумага для высококачественной печати: Улучшенные характеристики печати и гладкость поверхности
• Бумага для упаковки с графическим рисунком: Повышенное качество печати и прочность поверхности
• Доклады, для которых требуется сокращение объема при двусторонней печати: Однородные свойства поверхности
• Бумага для упаковки пищевых продуктов: Барьерные свойства поверхности с учетом требований нормативных документов

6.3 Синергетический эффект комбинированного определения размеров

В современном бумажном производстве внутреннее и поверхностное проклеивание, как правило, применяются в сочетании. Такой комплексный подход дает ряд преимуществ:

• Повышение качества продукции: Улучшенные поверхностные свойства и прочность материала
• Снижение уровня загрязнения: Меньший объем переноса химических веществ в сточных водах
• Снижение производственных затрат: Оптимизация общего потребления химикатов
• Большая гибкость при составлении рецептур: Возможность точной настройки свойств поверхности независимо от химического состава рабочей фазы

6.4 Механизм определения размера “Lattice”

Механизм образования осадка AKD на бумаге был предложен в качестве “решетчатый” механизм. Согласно этой теории, молекулы AKD образуют регулярную упорядоченную структуру на поверхности целлюлозного волокна, создавая гидрофобный барьер за счет молекулярной организации, а не просто в результате случайного осаждения.

7. Тенденции рынка и перспективы на будущее

7.1 Рост рынка

Мировой рынок агентов для придания размера продолжает расти:

• Рынок проклеивающих веществ для бумаги: 1 114 млн US$ (2024 г.), прогнозируемый объем — 1 505 млн US$ (2031 г.), среднегодовой темп роста (CAGR) — 4,8%
• Рынок поверхностно-активных веществ (в широком смысле): 825,9 млн долларов США (2025 г.), прогнозируемый объем — 1,12 млрд долларов США (2032 г.), среднегодовой темп роста (CAGR) — 4,51 TP3T
• Европейский рынок: Ожидается, что объем рынка вырастет с 306,22 млн US$ (2024 г.) до 409,80 млн US$ (2031 г.), при среднегодовом темпе роста (CAGR) 4,43%

7.2 Основные факторы, определяющие динамику рынка

Рост электронной коммерции: Поскольку прогнозируется, что объемы упаковки для электронной коммерции будут расти темпами более 14% в год до 2025 года, для бумажных упаковочных решений требуются высокоэффективные проклеивающие вещества, повышающие водостойкость и печатаемость.

Требования в области устойчивого развития: Глобальный переход к экологичным упаковочным решениям стимулирует рост бумажной и картонной промышленности, что, в свою очередь, ведет к увеличению спроса на проклеивающие вещества.

Биопроисходные проклеивающие вещества: Растущая популярность клеящих веществ на биологической основе, позволяющих соблюдать экологические нормы и достигать целей в области устойчивого развития, является одной из ключевых рыночных тенденций.

Эволюция технологий печати: Распространение цифровых и высокоскоростных технологий печати продолжает повышать требования к качеству поверхности бумаги.

7.3 Будущие инновации

• Крахмалы, модифицированные с помощью ферментов: Обладает превосходной стабильностью вязкости и механической прочностью
• Проклейка с добавлением наноцеллюлозы: Сочетание традиционных агентов, регулирующих размер частиц, с наноматериалами на основе целлюлозы
• Биопроисходные проклеивающие вещества: Удовлетворение спроса на возобновляемые и биоразлагаемые альтернативы
• Производство без использования растворителей: Исключение органических растворителей из производственных процессов
• Интеллектуальные системы определения размера: Мониторинг и управление процессом нанесения клея в режиме реального времени

8. Заключение

За последние два столетия прошли значительные изменения в области проклеивающих веществ для бумаги — от желатина и квасцов в XVIII веке, через «революцию» с использованием канифоли и квасцов в 1807 году, до «революции» с внедрением AKD в 1956 году, и вплоть до сегодняшнего дня, когда применяются передовые синтетические и биобазированные составы. Эта эволюция отражает постоянное стремление бумажной промышленности к повышению качества, обеспечению большей экологической устойчивости и повышению производственной эффективности.

Основные выводы:

• Правильный подбор размера имеет решающее значение: За редким исключением, практически все бумажные изделия требуют проклейки
• Два взаимодополняющих подхода: Внутреннее пропитание обеспечивает защиту от проникновения воды; поверхностное пропитание придает поверхности превосходные свойства
• Химия имеет значение: Проклейка канифолью основана на физическом осаждении; AKD образует ковалентные связи с целлюлозой
• Устойчивое развитие стимулирует инновации: Биопроисходные и не содержащие растворителей проклеивающие вещества становятся ключевыми тенденциями
• Рынок демонстрирует устойчивый рост: Мировой рынок агентов для регулирования объёма продолжает расти, чему способствуют рост объёмов производства упаковки и требования в области экологической устойчивости

LY Chem Technology Co., Ltd. , обладая более чем двадцатилетним опытом в производстве химикатов для бумажной промышленности, предлагает широкий ассортимент решений в области проклеивания:

• LY-CRS (катионный высокодисперсный канифольный клей) : Снижение расхода сульфата алюминия, практически нейтральная проклейка для применения в пищевой промышленности
• LY-ARS (анионный высокодисперсный канифольный клей) : Подходит для использования в условиях бурной воды с высокой степенью жесткости, полностью заменяет традиционный проклеивающий состав на основе омыленной канифоли
• LY-AKD301 (внутренний агент для регулировки размера AKD) : Превосходная водостойкость и стойкость к старению для культурной бумаги, мелованной бумаги и базовой бумаги для упаковки
• LY-AKD302 (поверхностно-активное вещество AKD) : Повышенная прочность на кольцевое сдавливание и прочность на разрыв для гофропрокладки и подкладочного картона
• LY-BB201 (стирол-акрилатный агент для проклеивания поверхностей) : Катионная эмульсия, которая частично заменяет внутреннее проклеивание, одновременно повышая прочность на кольцевое сдавливание и водостойкость

В то время как мировая бумажная промышленность продолжает переход к экологически устойчивому и высокоэффективному производству бумаги, компания LY Chem по-прежнему стремится предлагать инновационные химические решения, которые позволяют производителям бумаги уже сегодня решать задачи завтрашнего дня.

---

Для получения более подробной информации о решениях компании LY Chem в области проклеивания, а также о нашем полном ассортименте химикатов для бумажного производства, пожалуйста, обратитесь к нашему техническому отделу продаж.

Список литературы

1. Пропитка бумаги димерами алкилкетена – ScholarWorks, WMU
2. История появления щелочного проклеивания – cool.culturalheritage.org
3. История применения канифольного проклейки — Википедия / Источники по консервации
4. История определения размеров AKD — Hercules Inc., 1956 г. (De Gruyter / Институт консервации музеев)
5. Составы для проклеивания поверхностей — сополимеры стирола и малеинового ангидрида (Патенты / CNKI)
6. Отчет о рынке проклеивающих веществ для бумаги на 2025–2031 годы — QY Research
7. Прогноз развития рынка поверхностно-активных веществ на 2025–2032 годы — 24Chemical Research
8. Характеристики размера диспергированной канифоли — IPPTA
9. Синтез АКД — методы без использования растворителей (патенты / журнальные источники)
10. Классификация агентов, регулирующих размер частиц — Baidu Baike