Актуально: свойства бумаги-основы, покрытия, водоудерживающая способность, модульный компактный реометр
В данном отчете по применению используется метод ротационной реологии, чтобы показать, как две разные массы покрытия, использующие разную основу, влияют на водоудержание. Были обнаружены изменения реологического поведения (вязкости с течением времени) в отношении процесса нанесения покрытия. Эти измерения полезны для целлюлозно-бумажной промышленности, а также для всех сфер применения, где важно обезвоживание образца. Например, в исследованиях и разработках могут быть созданы новые рецептуры и комбинации материалов. Используемые бумаги-основы имеют различные свойства, такие как плотность, структура поверхности и строение.
1 Введение
Удерживающая способность жидкой фазы гомогенного образца играет важную роль в различных сферах применения. Известным примером является целлюлозно-бумажная промышленность. В так называемом процессе покрытия масса покрытия наносится на бумагу. В зависимости от типа предприятия содержание жидкости уменьшается посредством использования, например, метода нанесения покрытия роликовым устройством, метода пленочного пресса или метода резинового валика. Влияние различных образцов бумаги-основы можно описать водоудерживающей способностью. Использование иммобилизационной ячейки в сочетании с реометром компании «Anton Paar» позволяет получить данные (вязкость с течением времени) для понимания поведения различных комбинаций образцов. Водоудерживающая способность описывается сильным увеличением вязкости при измерении. Это может быть полезно, например, в исследованиях и разработках с целью изучения улучшенных или новых составов.
В зависимости от образца бумаги-основы удерживающая способность, более высокая или более низкая, рано или поздно возникает и приводит к очень сильному или незначительному увеличению вязкости.
Цель данного отчета состоит в том, чтобы показать влияние различных образцов бумаги-основы на скорость сдвига с целью моделирования различных условий процесса. Были выбраны две различные массы покрытия.
Помимо целлюлозно-бумажной промышленности эту концепцию можно использовать в каждом отдельном процессе, где способность образца удерживать жидкость представляет интерес.
2 Материал и методы
2.1 Материалы
Бумага-основа и массы покрытия поставлялись местным целлюлозно-бумажным комбинатом. Используемые массы покрытия собирали непосредственно с производственной линии завода.
2.1.1 Бумага-основа
Используемые типы бумаги-основы представлены в таблице 1. Бумага 1 и бумага 2 демонстрируют небольшие различия в плотности, в то время как бумага 3 характеризуется значительно более низкой плотностью. Однако бумага 2 демонстрирует грубую пористую структуру, в то время как бумага 3 проклеенную по поверхности структуру.
| Бумага-основа | Плотность (г/м2) |
|---|---|
| Бумага 1 | 95 |
| Бумага 2 | 100 |
| Бумага 3 | 60 |
2.1.2 Массы покрытия
- Были использованы две различные массы покрытия:
- Покрытие 1: Базовое покрытие, включающее крахмал
- Покрытие 2: Верхнее покрытие, без крахмала
2.2 Подготовка образца
Образец хорошо встряхнули в емкости для хранения, чтобы присутствовала однородная масса.
2.3 Приборы
Измерения проводились с использованием модульного компактного реометра (MCR) от компании «Anton Paar» в сочетании с иммобилизационной ячейкой (IMC).
Иммобилизационную ячейку можно использовать для определения кинетики иммобилизации и водоудерживающей способности масс покрытия бумаги: бумага-основа зажимается на перфорированной пластине, и с помощью вакуумного насоса создается вакуум. Вакуум извлекает жидкую фазу нанесенной массы покрытия, и затем с помощью геометрической фигуры измеряют реологическое изменение, связанное с обезвоживанием. На рис. 1 показана концепция иммобилизационной ячейки.
В качестве измерительной системы была выбрана плоскопараллельная геометрическая фигура диаметром 50 мм с зазором 0,25 мм.
Для запуска вакуумного насоса синхронно с измерением реологических свойств использовали распределительную коробку. После завершения измерения распределительная коробка автоматически отключила вакуумный насос.
При измерении использовали мембранный вакуумный насос с теоретическим предельным давлением вакуума 20 мбар.
Рисунок 1. Концепция иммобилизационной ячейки компании «Anton Paar».
2.4 Порядок проведения испытаний
На первом этапе в качестве этапа предварительного сдвига была установлена постоянная скорость сдвига 150 с-1. Рекомендуется использовать этот простой этап подготовки, чтобы избежать неоднородности образца и, следовательно, улучшить воспроизводимость измерений.
Впоследствии были выполнены измерения со скоростью сдвига 10 с-1 и 500 с-1. Различные скорости сдвига использовались с целью моделирования различных условий процесса. Полученные кривые продемонстрировали изменение вязкости через определенное время.
В процессе измерения было извлечено жидкое содержимое массы покрытия. Для обеспечения постоянного контакта между образцом и плоскопараллельной геометрической фигурой была задана постоянная нормальная сила FN = 0 Н. При превышении напряжения сдвига в 1000 Па измерение автоматически было остановлено, поскольку к этому моменту все соответствующие данные уже были получены.
Все измерения проводились при температуре 40 °C для того, чтобы имитировать условия на производственной линии.
3 Результаты и обсуждение
3.1 Результаты измерения при низких скоростях сдвига
На рис. 2 изображены кривые зависимости вязкости от времени при постоянной скорости сдвига 10 с-1 при исследовании масс покрытия на трех различных бумагах-основах. Масса покрытия 2 дала очень похожие кривые вязкости для всех наблюдаемых бумаг-основ. Приблизительно на 120 с все кривые бумаг-основ дали резкую и сильно увеличивающуюся крутизну. В этот момент, так называемую точку иммобилизации, водоудерживающая способность образца резко снизилась, и вода была извлечена из образца через бумагу-основу.
Как следствие, резко возросла вязкость. Примерно на 170 с измерение было остановлено для всех трех бумаг-основ из-за напряжения сдвига, превышающего 1000 Па.
Покрытие 1 продемонстрировало совершенно другое поведение, чем покрытие 2, при низких скоростях сдвига. Изменение вязкости было тоже сильным и происходило на 400 с (бумага 1), 450 с (бумага 2) и 500 с (бумага 3); но это было менее резко. Водоудерживающая способность бумаги 1 и бумаги 2 была намного ниже, чем у бумаги 3; хотя плотность бумаги 2 была почти в два раза выше. Бумага 2 продемонстрировала грубую пористую структуру, бумага 3 - проклеенную по поверхности структуру, а бумага 1 не показала ни одно из этих свойств, и ее можно охарактеризовать как стандартную бумагу. Пористость и текстура поверхности оказывали наибольшее влияние на извлечение жидкой фазы образца.
Таким образом, текстура и строение поверхности оказали более сильное влияние на удержание воды, чем плотность при низких скоростях сдвига. Различные начальные значения вязкости покрытий (ηпокрытие 2 > ηпокрытие 1) и различия в химическом составе (крахмал) также имели тенденцию к влиянию на поведение.
Рисунок 2: Результаты при низкой скорости сдвига (10 с-1) для обеих масс покрытия.
Левая сторона: Покрытие 2. Правая сторона: Покрытие 1.
Красная кривая: Бумага 1
Черная кривая: Бумага 2
Синяя кривая: Бумага 3
3.2 Результаты измерения при высоких скоростях сдвига
На рис. 3 представлены результаты применения к массе покрытия высокой скорости сдвига 500 с-1. Из-за эффекта сдвигового разжижения покрытий начальное значение вязкости было намного ниже, чем при скорости сдвига 10 с-1. Четкое обнаружение точки иммобилизации больше не было возможным для покрытия 2 или для покрытия 1. Повышение вязкости покрытия 2 за счет обезвоживания было более плавным по сравнению с покрытием 2 при низких скоростях сдвига, но сильнее по сравнению с покрытием 1 при высоких скоростях сдвига. Конечные значения вязкости для покрытия 2 при скоростях сдвига 10 с-1 и 500 с-1 были достигнуты примерно в одно и то же время (120 с).
Покрытие 1, измеренное при скорости сдвига 500 с-1, продемонстрировало совершенно другой эффект: более высокая скорость сдвига ускорила достижение конечной вязкости. Одной из возможных причин является постоянное предотвращение образования фильтр-прессной лепешки из-за высокой скорости сдвига. Это позволило жидкости проходить непрерывно и объясняет непрерывное и более быстрое повышение вязкости. При низких скоростях сдвига (рис. 2) возможное образование фильтр-прессной лепешки привело к резкому повышению вязкости.
Текстура и строение поверхности казались почти незначительными факторами по сравнению с влиянием высокой скорости сдвига, поскольку кривые всех трех видов бумаги-основы (за исключением бумаги 1 для покрытия 1) перекрыли друг друга. Однако химический состав (крахмал) и вязкость, по-видимому, оказали сильное влияние, поскольку время измерения для покрытия 1 было больше, чем для покрытия 2.
Рисунок 3: Результаты при высокой скорости сдвига (500 с-1) для обеих масс покрытия.
Левая сторона: Покрытие 2. Правая сторона: Покрытие 1.
Красная кривая: Бумага 1
Черная кривая: Бумага 2
Синяя кривая: Бумага 3
4 Итог
Использование иммобилизационной ячейки может быть полезным инструментом для определения различий между образцами бумаги-основы в отношении водоудерживающей способности определенного образца. Влияние текстуры и строения поверхности сильно зависит от скорости сдвига. Влияние текстуры и строения поверхности превосходит плотность при низких скоростях сдвига; в то время как при высоких скоростях сдвига все три упомянутых фактора были незначительными.
С учетом химического состава покрытий выявлено различие при низкой и при высокой скорости сдвига. Это влияние было очевидно по времени, истекшему до ослабления водоудерживающей способности. Эти результаты являются полезными инструментами для моделирования различных условий процесса и получения подробных данных для различных комбинаций материалов и образцов с использованием простой ротационной реологической установки.
