Стабильный силиказоль для систем удержания и обезвоживания при производстве бумаги

Силиказоль (кремнезоль) — водная коллоидная дисперсия частиц аморфного диоксида кремния SiO₂. В отличие от жидкого стекла, в силиказоле диоксид кремния находится в виде твёрдых коллоидных частиц, диспергированных в воде. Силанольные группы Si–OH на поверхности частиц участвуют в формировании поверхностного заряда и определяют кислотно-основные свойства поверхности.

В мокрой части бумагоделательной машины силиказоль применяют как компонент системы удержания и обезвоживания. В суспензии волокон и наполнителя он взаимодействует с катионными добавками, влияя на образование и перестройку агрегатов компонентов бумажной массы перед её формованием.

Жидкая форма позволяет подавать продукт дозирующим оборудованием непосредственно в поток массы или вводить его после предварительного разбавления в соответствии с технологическим регламентом. Состав стабилизирующих добавок и качество воды для разбавления влияют на коллоидную устойчивость продукта и должны учитываться при приготовлении рабочей дисперсии.

Волокна, многие наполнители и частицы немодифицированного силиказоля при нейтральном или слабощелочном pH обычно заряжены отрицательно. В микрочастичных системах взаимодействие между ними обеспечивается прежде всего катионными полимерами, адсорбированными на поверхности волокон и частиц наполнителя. Отрицательно заряженные частицы кремнезоля взаимодействуют с катионными участками полимерных цепей.

На поведение системы влияют:

• pH: определяет степень ионизации поверхностных групп и влияет на зарядовые взаимодействия;
• электропроводность и ионная сила: влияют на экранирование поверхностных зарядов и устойчивость коллоидных частиц;
• зарядовая плотность полимера: влияет на адсорбцию полимера на волокнах и наполнителях, а также на количество доступных катионных участков;
• поверхностные свойства SiO₂: определяют характер его взаимодействия с полимерными цепями.

Дзета-потенциал характеризует электрокинетическое состояние частиц, но не является прямым показателем удержания.

В распространённой схеме применяют катионный полимер (например, катионный крахмал или катионный полиакриламид) и анионный силиказоль. Катионный полимер способствует образованию флокул за счёт адсорбции на частицах бумажной массы и формирования полимерных мостиков между ними. Коллоидный SiO₂ взаимодействует с катионными участками адсорбированных полимерных цепей, способствуя формированию микрофлокул и повышению удержания компонентов бумажной массы. Катионный крахмал также может повышать прочность бумаги.

Роли компонентов различаются:

• катионный полимер способствует флокуляции компонентов бумажной массы и повышению удержания волокон, мелочи и минерального наполнителя; катионный крахмал дополнительно повышает прочность бумаги за счёт формирования межволоконных связей;
• силиказоль участвует в формировании и перестройке агрегатов в микрочастичной системе, способствуя повышению удержания и обезвоживания;
• коагулянты и фиксаторы, если они предусмотрены программой, нейтрализуют часть анионных загрязнений и способствуют их закреплению на волокнах.

Избыточная дозировка катионного полимера или SiO₂ может приводить к ухудшению технологических показателей. Рабочее соотношение компонентов определяют по результатам оценки удержания, обезвоживания и качества бумажного полотна.

После ввода катионного полимера в массе возникают флокулы - агрегаты волокон и дисперсных частиц. Насосы, сортировки и трубопроводы создают сдвиговые нагрузки, частично разрушающие крупные полимерные агрегаты. Часть адсорбированного полимера при этом остается на частицах.

В типовых системах силиказоль вводят ближе к напорному ящику, часто после стадии интенсивного сдвига. Взаимодействие силиказоля с адсорбированным полимером способствует повторному формированию агрегатов. При этом увеличение размера флокул не обязательно улучшает формование бумажного полотна.

При лабораторных испытаниях необходимо воспроизводить характерные для БДМ условия перемешивания и сдвиговых нагрузок, а также учитывать время контакта между компонентами системы.

Обезвоживание определяется проницаемостью волокнистого слоя, степенью помола, количеством мелочи и режимом формующей части. Изменение характера флокуляции волокон и мелкодисперсных компонентов может влиять на скорость отвода воды через формируемое полотно.

При оценке проверяют:

• время обезвоживания и скорость водоотдачи при проведении лабораторных испытаний;
• сухость полотна после формования в сеточной части БДМ;
• равномерность формования, однородность структуры полотна и колебания массы квадратного метра;
• прочностные свойства и зольность готовой бумаги.

Улучшение обезвоживания может быть особенно актуально при ограничении производительности БДМ возможностями сеточной части. Однако усиленная флокуляция иногда ухудшает равномерность формования и прочностные свойства бумаги. Изменения производительности и энергозатрат измеряют отдельно.

Мелкие частицы обладают большей удельной поверхностью, однако эффективность применения определяется также распределением частиц по размерам, их зарядом, структурой и стабильностью системы.

Для сравнения образцов используют:

• содержание SiO₂ — для пересчёта товарной дозировки на массу сухого диоксида кремния;
• размер и распределение частиц — в том числе по методу динамического светорассеяния с учётом того, что результат зависит от условий измерения и обработки данных;
• pH и поверхностный заряд — для оценки взаимодействия с полимером;
• вязкость и коллоидную устойчивость — для оценки пригодности дисперсии к хранению, разбавлению и дозированию.

Дозировку выражают в кг сухого SiO₂ на тонну сухой бумажной массы, пересчитывая по массовой доле кремнезёма. При совместном применении с катионным полимером подбирают соотношение компонентов, обеспечивающее требуемые показатели удержания и обезвоживания при стабильной работе БДМ.