Многослойная влагопрочная бумага-основа для целлюлозных композитов

В Санкт-Петербургском государственном технологическом университете растительных полимеров (СПбГТУРП) в течение ряда лет проводятся исследования, направленные на разработку технологии и промышленную реализацию новых видов пропиточной бумаги для целлюлозных композиционных материалов, в том числе для декоративного бумажно-слоистого пластика (ДБСП). Реализация разработок позволила обновить ассортимент бумаги, используемой для производства данного класса целлюлозных композитов.

Исследования, связанные с теоретическим обоснованием и промышленной реализацией высокоэффективных пропиточных видов бумаги, проводились в соответствии с программами Научных Советов АН СССР, а в настоящее время — в рамках Российской научно-технической программы «Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья» совместно с Российской инженерной академией.

Декоративный бумажно-слоистый пластик, выпускаемый в виде листового и рулонного материала, представляет собой сложный многослойный целлюлозный композиционный материал.

Традиционная технология слоистого пластика включает — получение так называемого препрега пропитку бумаги-основы спиртовым или водным раствором поликонденсационной смолы с целью введения заданного количества связующего и сушку пропитанного материала для удаления растворителя. После этого производится набор пакетов из определенного числа слоев препрега разного вида и их горячее прессование на многоэтажных прессах. В случае получения рулонных материалов прессование ведется на специальных ленточных прессах. При пропитке и прессовании находящийся в капиллярно-пористой структуре воздух замещаетря смолой и в результате происходит переход от газонаполненного композита — бумаги, к компактному пластику. В этом пластике взаимопроникающие полимерные сетки (ВПС) целлюлозных волокон и поликонденсационной смолы формируют монолитную структуру, в которой все слои бумаги объединены. Следовательно, технология изготовления слоистого пластика основана на использовании ряда пропиточных видов бумаги, составляющие компоненты которой в сочетании с поликонденсационными смолами в готовом композите выполняют заданные функции.

Появление слоистого пластика более полувека назад связано с изготовлением материала на основе бумаги из сульфатной небеленой хвойной целлюлозы и фенолоформальдегидной смолы. Сочетание высокопрочных целлюлозных волокон с поликонденсационной смолой обеспечивает после термоотверждения под давлением формирование монолитной структуры композита, обладающего высокой жесткостью и механической прочностью. Это позволяет отнести его к классу высокопрочных конструкционных материалов.

Актуальность темы

В середине 80-х годов по разработкам СПб ГТУ РП на ОАО «Светогорск» было начато производство многослойной бумаги для слоистых пластиков. Эта бумага, однако, не обладала влагопрочностью и могла использоваться только для пропитки спиртовыми растворами ФФС. Производство влагопрочной бумаги было, затем организовано в объединении «Красный курсант» с использованием товарной целлюлозы, т. е. целлюлозы, проходившей сушку. Как в том, так и в другом случае процессы сушки приводили к развитию процессов ороговения. В ходе этих процессов происходит закупорка наиболее тонких пор и капилляров капиллярно-пористой структуры целлюлозы. В связи с этим перспективным является создание новых видов многослойной влагопрочной бумаги для целлюлозных композитов на базе целлюлозы, не проходившей сушку. Проведенная в последние годы реконструкция технологического потока ОАО «Светогорск» открыла новые возможности для создания следующего поколения многослойной влагопрочной бумаги. Особо следует отметить, что создание влаго-прочной бумаги решает важную экологическую задачу, так как позволяет при производстве целлюлозных композитов отказаться от применения органического растворителя этилового спирта.

Диссертационная работа является частью исследований, ведущихся в СПбГТУРП в соответствии с Российской научно-технической подпрограммой на период до 2000 года «Комплексное использование древесного сырья» .

Целью данного исследования являлась разработка и промышленная реализация технологии производства многослойной влагопрочной бумаги-основы для целлюлозных композитов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• провести системный анализ возможностей многослойного способа формования для изготовления бумаги-основы для целлюлозных композитов, получаемых по пропиточной технологии;

• теоретически обосновать и разработать технологию изготовления многослойной влагопрочной бумаги с повышенной массой 1 м² для основных слоев слоистого пластика;

• теоретически обосновать и разработать технологию изготовления нового вида пропиточной бумаги с направленным разделением функций ее элементарных слоев;

• осуществить опытно-промышленную проверку и промышленную реализацию разработанной технологии изготовления бумаги-основы и провести ее переработку в ДБСП.

На защиту выносятся:

1. Теоретическое обоснование технологии изготовления многослойной влагопрочной бумаги-основы с повышенной массой 1 м² и с направленным регулированием функций ее элементарных слоев, базирующаяся на максимальном сохранении капиллярно-пористой структуры (КПС) и качественных характеристик волокон при использовании не прошедшей сушку на пресспате хвойной и лиственной целлюлозына введении сшивающего агента, фиксирующего КПСна использовании многосеточного формования и разделении функций слоев бумаги (впитывающие функции — покровный слой из лиственной целлюлозыармирующие функции — слои из хвойной целлюлозы и пограничный слой) — на использовании технологических возможностей модернизированной линии для производства многослойных видов бумаги.

2. Результаты сравнительных исследований свойств опытных и промышленных образцов однослойной и многослойной влагопрочной бумаги и препрегов на их основе.

3. Способы изготовления многослойной бумаги для основных слоев слоистого пластика.

4. Технологию производства многослойной влагопрочной бумаги для целлюлозных композитов.

5. Апробацию и промышленную реализацию разработанной технологии .

Результаты работы реализованы на ОАО «Светогорск». За период 1996;98 гг на ОАО выпущено свыше 7 тыс. тонн опытно-промышленной партии многослойной влагопрочной бумаги и прошли успешную переработку на ОАО «Мосстройпластмасс» (г. Мытищи). Сравнительное исследование свойств полученных новых видов бумаги с отечественными и зарубежными аналогами выявило их высокую конкурентоспособность. С сентября 1998 года введены технические условия на серийный выпуск (ТУ 5436−001−2 068 611−98 «Бумага многослойная влагопрочная для внутренних слоев пластика»).

1. Литературный обзор

ВЫВОДЫ.

Теоретически обоснована, разработана и реализована в промышленных масштабах технология производства многослойной влагопроч-ной бумаги-основы для целлюлозных композитов. Технология базируется: на максимальном сохранении капиллярно-пористой структуры и прочностных характеристик волоконполучении бумаги из целлюлозы, не проходившей сушкуприменении сшивающих агентовиспользовании технологических возможностей модернизированной линии для производства многослойных видов бумаги.

1. Проведен системный анализ технологических возможностей получения многослойной бумаги-основы для композитов. Использование многосеточного формования позволяет получать бумагу-основу, обеспечивающую создание композитов с заданной послоевой морфологией взаимопроникающих полимерных сеток целлюлозного и нецеллюлозного компонентов. Послоевая морфология в конечном композите определяется составом по волокну элементарных слоев бумаги, сте~.

— 2 пенью помола волокон, варьированием массы 1 м как элементарных слоев, так и бумаги в целом, фиксацией КПС и приданием бумаге влагопрочности за счет введения в определенные слои сшивающего агента. Предложена блок-схема алгоритма направленного формирования многослойного материала. Для определения конкретных значений технологических параметров разработана программа экспериментальных исследований.

2. Выбран необходимый и достаточный объем показателей, позволяющий осуществлять производственный и лабораторный контроль технологических процессов при производств©бумаги и при ©-о переработке в композиты.

3. Установлено, что использование сшивающего агента (поли-амидоаминоэпихлоргидриновой смолы в количестве 0,03% от а.с. волокна) по&воляет повысить физико-механические характеристики бумаги, в том числе и влагопрочность, зафиксировать капиллярно-пористую структуру и обеспечить высокие пропиточные свойства. На основании сопоставительных исследований свойств однослойной и многослойной пропиточной бумаги показано, что использование не проходившей сушку целлюлозы в сочетании со сшивающим агентом позволяет в условиях многосеточного формования повысить массу 1 м² бумаги до 250 г с сохранением высоких и стабильных пропиточных и прочностных свойств.

4. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность направленного регулирования функций элементарных слоев пропиточной бумаги путем введения в композицию покровного слоя лиственной целлюлозы. Проведен сравнительный анализ свойств многослойных опытных образцов бумаги с покровным слоем из лиственной целлюлозы и образцов, содержащих аналогичное количество лиственной целлюлозы, равномерно распределенной по слоям. Установлено, что в образцах с покровным слоем из более коротких волокон лиственной целлюлозы этот слой выполняет впитывающие функции, а слои из длинных гибких и прочных волокон хвойной целлюлозы и пограничный слой — армирующие функции.

5. Сравнительное исследование свойств препрегов на основе опытных и промышленных образцов бумаги показало, что армирующее влияние целлюлозной матрицы сохраняется и в целлюлозном композите .

6. Предложены пути реконструкции системы водопользования модернизированной линии ОАО «Светогорск» для производства многослойной влагопрочной бумаги, позволяющие снизить удельный расход.

3 3 воды со 120 м /т до 20 м /т, уменьшить сброс сточных вод при работе на стационарных и переходных режимах.

7. На основании проведенных исследований и апробации в условиях ОАО «Светогорск» разработана промышленная технология получения новых видов многослойной пропиточной бумаги для слоистых пластиков. Опытные и опытно-промышленные партии бумагой в количестве свыше 7 тыс. тонн прошли успешную переработку в 1996;98 гг. на ОАО «Мосстройпластмасс» (г. Мытищи). Сравнительное исследование свойств полученных новых видов бумаги с отечественными и Зарубежными аналогами выявило их высокую конкурентоспособность. С сентября 1998 года введены технические условия на серийный выпуск.

ТУ 5436−001−2 068 611−98 «Бумага многослойная влагопрочная для внутренних слоев пластика»).

Выявленные Закономерности могут быть использованы при разработке широкого класса целлюлозных композитов, получаемых по пропиточной технологии. Способы изготовления новых видов бумаги защищены патентами № 2 101 410 и № 2 101 411 РФ.