ИК-СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ БУМАГ СО СВЯЗУЮЩИМИ ПОЛИМЕРАМИ

АННОТАЦИЯ

Для придания бумаге необходимой механической прочности применены в качестве полимерного проклеивающего вещества канифоль, акриловая эмульсия и полиэтилентерефталат. Их использование приводит к повышению физико-механической прочности, что свидетельствует об образовании новых межмолекулярных водородных связей.

ABSTRACT

To give the paper the necessary mechanical strength were used as a polymer sizing agent rosin, acrylic emulsion and polyethylene terephthalate. Theirs use leads to an increase in physical and mechanical strength, which indicates the formation of new intermolecular hydrogen bonds.

Ключевые слова: канифоль, раствор продуктов алкоголиза отходов полиэтилентерефталата, проклеивающее вещество, хлопковая целлюлоза, синтетические полимеры.

Keywords: rosin, solution of products of alcoholysis of polyethylene terephthalate waste, sizing agent, cotton cellulose, synthetic polymers.

Введение. Для обеспечения прочного сцепления волокнистой массы, придания влагопрочности, способности бумаги сохранять прочность как в увлажненном, так и в сухом состояниях в бумагу вводиться проклеивающее вещество. В настоящее время широкое применение для проклейки бумаги находят вещества на канифольной основе, а также синтетические проклеивающие вещества. Механизм удержания этих веществ на целлюлозных волокнах различен.

С целью улучшения качества бумаги и её прочностных характеристик нами вместо канифольного клея в качестве проклеивавшего вещества применены акриловая эмульсия и лавсановый раствор.

Экспериментальное исследование. Изготовление опытных образцов проводили в условиях СП «Global Komsco Daewoo» по утвержденному технологическому регламенту. Были получены отливки образцов, содержащих волокна хлопковой целлюлозы с различными синтетическими полимерами. Степень помола волокон целлюлозы составляла 60º Шоппера-Ринглера. Изготовление образцов производили обычным способом на лабораторном листоотливном аппарате «Werkstoff Prüfmaschinen» (Германия). Все образцы с площадью 1 м²   готовили с одинаковой массой, равной 70 г.  При проведении исследований в бумажную массу вводился проклеивающее вещество в количестве до 2% от обшей бумажной массе.

ИК спектры образцов экспериментальных бумаг записывали в таблетках бромида калия на спектрометре System 2000 FT –IR фирмы Parken Elmer в интервале длин волн 400 -4000 см^-1.

Акриловая (полиметилакрилат) эмульсия – молочно белая жидкость с незаметным кремовым оттенком без видимого расслоения, pH=6,0-8,5 относительная вязкость не менее 1,75, массовая доля остаточного мономера не более 0,35%.

Лавсановый раствор представляет собой водный раствор продукта алкоголиза  отходов полиэтилентерефталата с диэтиленгликолем. Заметное изменение внешнего вида и агрегатного состояния полиэтилентерефталата в смеси с диэтиленгликолем наблюдается, начиная с 180⁰С. С увеличением продолжительности алкоголиза, температуры и содержания диэтиленгликоля происходит возрастание концентрации гидроксильных групп и массовой доли водорастворимой части [1-2].

Есть два фактора улучшения физико-механических свойств бумаги: структурно –механический и химический [3-5].

Структура бумаги из натуральных и химических волокон при использовании связующих веществ для склеивания волокон зависит от микроструктуры и формы применения этих связующих. Связующие на основе органических полимеров способствуют образованию фибриллярной структуры целлюлозных волокон, улучшают адгезию. Определенное влияние имеет структура двойного электрического слоя на поверхности волокон.

Химический фактор заключается в образовании новых водородных и ковалентных связей. Наиболее характерной связью для молекул целлюлозы является водородная связь, с энергией порядка 25 -35 кДж/моль. Этот вид связи свойственен соединениям, в молекуле которых водород непосредственно связан с кислородом или азотом. Несмотря на то, что водородная связь слабее, чем ковалентная, суммарная энергия этих связей у высокомолекулярных соединений, где размеры молекул и число атомов очень велики, значительно превосходит величину валентных сил. При прочих равных условиях наибольшая вероятность образования межмолекулярных водородных связей возникает между наиболее поляризованными атомами, т.е. между наиболее сильными донорами и акцепторами протонов.  Наличие сильно полярных гидроксильных и карбоксильных групп в ПАПЭТФ приводит к образованию наиболее прочных межмолекулярных водородных связей. Не исключена возможность образования ковалентных связей в результате этерификации карбоксильных групп терефталевой кислоты и гидроксильных групп целлюлозы в процессе сушки бумажной массы.

Синтетические полимеры улучшают фибриллярную, кристаллическую структуру и адгезию целлюлозы, вступают с ним в химические воздействия на уровне водородных и ковалентных связей. Появление кристаллической области, улучшение структуры бумаг при введении различных синтетических связующих наблюдалось при рентгенофазовых и микроскопических исследованиях. Дальнейшие исследования проведены с применением ИК спектроскопии.

На рисунке 1-3 представлены ИК–спектры образцов бумаг на основе хлопковой целлюлозы, содержащей канифольный клей (рис.1), акриловую эмульсию (рис.2) и лавсановый раствор (рис.3). В ИК–спектрах обнаружены характеристические полосы поглощений целлюлозы [6].  Полоса поглощений при 3342–3418 см^-1 относится к валентным колебанием ОH – связей, а при 2990 см^-1 – к валентным колебаниям СН групп.

Рисунок 1. ИК – спектры образцов бумаг на основе хлопковой целлюлозы, содержащей канифольный клей

Рисунок 2. ИК – спектры образцов бумаг на основе хлопковой целлюлозы, содержащей  акриловую эмульсию

Рисунок 3. ИК – спектры образцов бумаг на основе хлопковой целлюлозы, содержащей лавсановый раствор

Полоса поглощении при 1431–1434 см^-1 относится  к деформационным колебаниям СН₂– и СН– сгрупп, а при 1317–1372 см^-1 и 1163 см^-1 к деформационным колебаниям ОН– и СН–групп. Полоса поглощении при 1113 см^-1 относится к ассиметричным валентным колебаниям пиранового кольца. Валентные колебания СОС– мостика имеют полосу поглощений при 1059 см^-1 (ассиметричные) и 900 см^-1 (симметричные).

Полосы поглощений в области 560–708 см^-1, скорее всего, относятся к деформационным колебаниям ОН– групп и скелетным колебаниям С–С– связей или к поглощению пиранового кольца. Полосу поглощении при ~1640 см^-1 исследователи относят  к колебаниям молекул адсорбированной воды. Все спектры содержат большое число резких полос, что связано с наличием больших областей высокой молекулярной упорядоченности.

О степени кристалличности можно судить по отношению интенсивностей полос поглощений при 1372 см^-1 и 2900 см^-1 [7]. Полоса поглощений при 1372 см^-1 отвечает за кристаллическую область, а при 2900 см^-1 за аморфную область. Для экспериментальных бумаг, полученных с применением канифольного клея, акриловой эмульсии и лавсанового раствора степень кристалличности возрастает, соответственно 0,59; 0,63 и 0,72. Эти результаты подтверждают данных рентгеноструктурного анализа.

Наблюдается заметное смешение (на 70 см^-1) полос поглощения валентных колебаний ОН– групп бумаги, полученной с применением лавсанового раствора по сравнению с двумя остальными бумагами. Такое смешение скорее всего, связано с образованием дополнительных межмолекулярных водородных связей с участием ПАПЭТФ.

Толщина, плотность и зольность остаются в пределах прочностных характеристик бумаг с использованием в качестве проклеивающего вещества канифольного клея.

Выводы. Бумажная масса с использованием акриловой эмульсии и лавсанового раствора имеет ряд достоинств:

- улучшенные физико–механические свойства, в частности, увеличение разрывной длины, разрывного усилия и сопротивления к излому;

- возможность использования доступного вторичного сырья;

- простота изготовления композиции и отлива бумаги.

Список литературы:

1. Ешбаева У.Ж. Офсетная бумага с введением синтетических полимеров и её печатно-технические свойства: Дисс. на соис. уч. степ. док. тех. наук.  − Ташкент. ТИТЛП. 2017. −232 с.
2. А.Б. Жураев, Т.А.Низамов, Р.И.Адилов, М.Г.Алимухамедов, Ф.А.Магрупов. Влияние технологических параметров на процесс деструкции отходов полиэтилентерефталата.// М. Химическая промышленность.:2007, №11, с. 25.
3. М.Ф.Фролов. Структурная механика бумаги. М. «Лесная промышленность», 1982, 272 с.
4. Ешбаева У.Ж., Рафиков А.С. Бумага из альтернативного и вторичного сырья. Монография. –Ташкент: Tafakkur gulshoni. 2015.-112 с.
5. С.Н.Иванов. Технология бумаги. М. «Школа бумаги», 2006, 696 с.
6. Инфракрасная спектроскопия полимеров. Под. ред. Деханта. М.    «Химия» 1976, 472 стр
7. Рабек Я. Экспериментальные методы в химии полимеров. Пер. с анг, М.: Мир, 1983, ч.1, с. 251.