Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУМАГИ ДЛЯ ДОКУМЕНТОВ И БУМАГА, ИЗГОТОВЛЕННАЯ С ПОМОЩЬЮ ЭТОГО СПОСОБА

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности, в частности, к производству бумаги для документов, которая содержит водяные знаки, защитные волокна, защитные нити и другие защитные признаки. Такая бумага применяется для изготовления бланков ценных бумаг и документов, требующих увеличенного времени нахождения в обращении и пригодных для традиционной и цифровой печати.

Бумага для изготовления ценных документов, как правило, содержит водяные знаки и должна иметь определенные специальные характеристики. Бумага с водяным знаком имеет повышенную плотность, особенно в области расположения темных элементов водяного знака. Печать документов проходит, как правило, в несколько прогонов. Из-за разницы плотности на основном поле и на участках бумажного листа с водяным знаком впитывание красок проходит неравномерно, возможно локальное отмарывание на обратную сторону оттиска. Для точного совмещения изображения бумага должна иметь низкую линейную деформацию. Помимо этого, необходимо повышать жесткость бумаги и нивелировать ее способность к скручиванию, поскольку эти характеристики важны для сохранения формы документа в процессе использования. Кроме того, готовое печатное изделие может быть использовано для цифровой персонализации с помощью лазерного или струйного принтера, где очень важны стабильные свойства поверхности.

Из уровня техники известно использование наполнителей в композиции бумаги для повышения жесткости и снижения деформационных характеристик, в частности, известно использование в композиции бумаги легких микросфер. В патенте RU 2365696, 27.08.2009, в волокнистую композицию вводят латекс с агломерированными полыми частицами. Однако агломерированные частицы латекса не могут иметь стабильного размера, что усложняет процесс равномерного наполнения бумажного полотна и получение поверхности с однородными свойствами. Крупные агломераты латекса лучше удерживаются в бумажном листе, однако приводят к образованию локальных неоднородностей на поверхности бумажного полотна, препятствующих равномерной печати и способствуют снижению прочности поверхности бумажного полотна.

В патенте RU 2330911, 10.08.2008, описана поверхностная обработка бумаги для копировально-множительной техники с целью увеличения ее жесткости растворами крахмала с повышенным содержанием сухих веществ и добавкой поперечно-сшивающих агентов. Данный способ увеличения жесткости бумажного полотна используется для бумаги с волокнистой композицией из полуфабрикатов высокого выхода и полуцеллюлозы, которые изначально обладают большей естественной жесткостью, чем целлюлозные полуфабрикаты с высоким содержанием а - целлюлозы, используемые в качестве базового волокнистого компонента при изготовлении бумаги для документов длительного срока хранения.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ изготовления бумаги с улучшенной жесткостью и пухлостью, описанный в патенте RU 2387752, 27.04.2010. Способ изготовления бумаги включает стадии: (а) создание композиции, содержащей целлюлозные волокна и наполнитель из полимерного материала в виде микросфер, (b) отлив и формирование волокнистого полотна из композиции, (с) обработка бумажного полотна раствором на основе крахмала с созданием верхнего и нижнего слоев покрытия с высокой прочностью, (d) сушка обработанного волокнистого полотна с формированием трехслойного материала, имеющего двутавровую структуру. Техническим результатом является улучшение прочности, жесткости и стойкости к скручиванию полученного материала.

К недостаткам способа, описанного в RU 2387752, можно отнести отсутствие равномерного впитывания красок поверхностью бумажного листа с водяным знаком и локально повышенной плотностью в месте размещения темных участков водяного знака, а также низкую степень четкости водяного знака и высокие деформационные характеристики бумажного листа. Известный способ не позволяет получить бумагу с водяным знаком должного качества при сохранении впитывающих характеристик.

Задача, решаемая изобретением - улучшение впитывающих свойств, четкости водяного знака, снижение деформационных характеристик, скручиваемости, плотности при стабилизации непрозрачности бумаги и сохранении функциональных свойств изделия на этой бумаге.

Поставленная задача решается способом, включающим приготовление основной суспензии, содержащей целлюлозные волокна, связующий агент, проклеивающий агент и минеральный наполнитель, приготовление дополнительной целлюлозной волокнистой суспензии с концентрацией волокон 1,5-3,0 мас. %, введение в нее полимерных микросфер в количестве 0,01-0,03 мас. частей микросфер на 1 мас. часть волокон целлюлозы в пересчете на абсолютно сухое волокно, перемешивание полученной дополнительной суспензии в течение не менее 10 минут при скорости мешалки не менее 400 оборотов в минуту, смешивание основной суспензии с дополнительной суспензией при их объемном соотношении, равном (0,25-0,75):1, соответственно, с получением бумажной массы, формирование из полученной бумажной массы бумажного полотна на сетке бумагоделательной машины, обработку бумажного полотна с двух сторон в клеевом узле, прессование и сушку с получением трехслойного материала с двутавровой структурой.

Полимерные микросферы представляют собой полые инертные частицы сферической формы с низкими абразивными характеристиками на основе термопластичных полимеров из полистирола, полиметилметакрилата или кремнезема.

При приготовлении дополнительной суспензии в нее вводят микрокристаллическую целлюлозу в количестве 2 масс. %.

В бумажную массу дополнительно вводят специальные добавки для защиты бумаги от подделок.

Целлюлозные волокна представляют собой композицию, состоящую из 10-50 масс. % хлопковой целлюлозы и 50-90 масс. % беленой древесной целлюлозы со степенью помола 45-64 град. ШР при длине волокна не более 0,8 мм.

Предложена также бумага для документов, изготовленная способом, охарактеризованном совокупностью изложенных выше признаков.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом.

Подготовка бумажной массы. Производят размол волокнистого сырья, состоящего из хлопковой целлюлозы и беленой древесной хвойной и/или лиственной целлюлозы. Степень помола бумажной массы, определенная в соответствии с ГОСТ 14363.4-89, должна быть не менее 45 град. ШР, длина волокна не менее 0,8 мм. Если степень помола бумажной массы оказывается ниже 45 град ШР, наблюдается ухудшение четкости водяного знака. Если же степень помола бумажной массы превышает значение 65 град. ШР, из такой массы не удается получить бумагу с необходимым уровнем физико-механических характеристик из-за сильного укорочения целлюлозных волокон.

В качестве бумажной массы используется композиция из 10-50% хлопковой целлюлозы и 50-90% беленой древесной целлюлозы, предварительно размолотой до 45-60 град. ШР и длиной волокна 30-51 Дг.

В качестве полимерных микросфер могут быть использованы инертные полые частицы сферической формы из полистирола, полиметилметакрилата, нейлона, полиэтилена, полипропилена, желатина и другие полимеры или материалы различных плотностей с диаметром частиц от 4,5 до 40 мкм. Для примеров в заявленном изобретении используют микросферы Expancel марок 031WUF 40, 820SLU 40 и 031 WUF40.

В приготовленную таким образом суспензию бумажной массы вводят наполнители: мел, каолин, двуокись титана и добавки для повышения прочности бумаги в сухом и во влажном состоянии (крахмал, водорастворимые соли эфиров целлюлозы; влагопрочные смолы). При необходимости для оптимизации процесса поверхностной обработки вводят вещества, способствующие гидрофобизации бумажного полотна в массе (АКД и АСА и т.п.). Кроме того, в бумажную массу вводят специальные добавки, необходимые для защиты от подделок: защитные волокна или пигменты; защитные нити и/или конфетти, а также пигменты со специальными свойствами (магнитными, флуоресцентными и т.д.).

В бумажную массу, содержащую целлюлозные волокна, связующие агенты, проклеивающие агенты и минеральный наполнитель, вводят наполнитель из полимерного материала в виде микросфер. Наполнитель из полимерного материала перед подачей в бумажную массу предварительно смешивают в соотношении 0,01-0,03 массовых частей с 1 массовой частью целлюлозной волокнистой суспензии в пересчете на абсолютно сухое волокно. Добавку полимерных микросфер осуществляют в часть волокнистой композиции концентрацией 1,5-3,0 масс. %.

Перемешивание компонентов производят не менее 10 минут, скорость мешалки - не менее 400 об/мин. Использование бумажной массы с концентрацией менее 1,5 масс. % является не эффективным из-за невозможности обеспечения требуемых реологических параметров процесса перемешивания и регулирования пенообразования. Использование бумажной массы с концентрацией более 3,0 масс. % не обеспечивает должное качество перемешивания из-за высокой вязкости волокнистой композиции. В частном случае в указанную смесь добавляют МКЦ. В качестве МКЦ используют микрокристаллическую целлюлозу марки Arbocell BE 600.

Полученную таким образом суспензию целлюлозных волокон, полимерных микросфер и МКЦ вводят в основной поток бумажной массы для получения бумажного полотна.

Формирование бумажного полотна. Бумажное полотно формируют на сетке бумагоделательной машины и обрабатывают полученное бумажное полотно в клеевом узле раствором на основе крахмала. Формируют верхний и нижний слои покрытия с высокой прочностью, прессуют и сушат обработанное волокнистое полотно двутавровой структуры с формированием трехслойного материала.

Полученное бумажное полотно обрабатывают раствором на основе крахмала или любого другого полимера из ряда: ПВС, полиакрилат, полиуретан и пр., с привесом массы 6-8 г/м² Такое бумажное полотно используется в качестве бумаги-основы для документов и обладает необходимыми функциональными характеристиками и улучшенной четкостью водяного знака.

Характеристики бумажного полотна представлены в Таблицах 1 и 2.

На Фиг. 1 показано распределение микросфер в бумажном полотне, приготовленном в соответствии с известным способом (RU 2387752), пример 1; на Фиг. 2 - распределение микросфер в бумажном полотне, приготовленном в соответствии с заявляемым способом, пример 2; на Фиг. 3 - распределение микросфер в бумажном полотне, приготовленном в соответствии с заявляемым способом, пример 3.

Процесс измерения четкости водяного знака заключался в определении яркости светлых и темных участков негативного изображения водяного знака, в соответствии с «Методикой выполнения измерений оптических параметров водяного знака (МВИ 47-08-98-2009)», разработанной в НИИ Гознака. В соответствии с данной методикой измеряется яркость участков бумажного полотна с различной оптической плотностью на просвет; далее определяется контрастность данных участков (см. Таблицу 1) и четкость водяного знака по формуле:

где

«S» - четкость водяного знака;

«L_ВЗ» - яркость негативного изображения темного элемента водяного знака (см. таблицу 1);

«L_поля» - яркость негативного изображения основного поля бумажного полотна.

Таким образом, введение стадии предварительного перемешивания и диспергирования наполнителя в виде полимерных микросфер и МКЦ с частью целлюлозной волокнистой композиции перед подачей в основной поток бумажной массы позволяет достичь лучшего и равномерного распределения микросфер внутри волокнистого полотна (см. Фиг. 1-3).

Дозировка наполнителя из полимерного материала выше 0,03 массовых частей не позволяет сохранить на достаточном уровне физико-механические характеристики - разрушающее усилие и прочность бумаги в Z-направлении, а использование дозировки наполнителя менее 0,01 массовых частей не позволяет получить требуемый уровень линейной деформации, жесткости и впитывающих свойств (см. Таблицу 2).

Следующие примеры иллюстрируют осуществление заявляемого способа изготовления бумаги для документов.

Пример 1. (сравнительный, в соответствии с известным способом RU 2387752). В бумажную массу концентрацией 1,0 масс. % со степенью помола не ниже 45-65 град ШР вводят полимерные микросферы в соотношении 0,02 массовых частей и перемешивают полученную суспензию. Далее добавляют минеральный наполнитель, необходимое количество связующих и проклеивающих веществ и формируют бумажное полотно, которое обрабатывается составами на основе крахмала с формированием верхнего и нижнего слоев высокой прочности.

Изготавливают бумагу с водяным знаком, используя все стадии создания волокнистой композиции, включающей смесь из 9 частей целлюлозных волокон из древесины твердых пород и 1 часть целлюлозы из древесины мягких пород, содержащей наполнитель в виде преципитированного карбоната кальция и легкие органические наполнители в виде полимерных микросфер и гидрофобизирующие добавки (АКД). Делают поверхностную обработку полученного бумажного полотна раствором крахмала с формированием трехслойного материала. Однако на бумаге, полученной по данной технологии, водяной знак оказался недостаточно четким, а микросферы внутри бумажного полотна распределены неравномерно (см. Фиг. 1). Четкость водяных знаков для этой бумаги определялась по формуле 1 и показана в Таблице 1. Физико-механические показатели показаны в Таблице 2.

Пример 2 (заявляемый способ). Пример 2 отличается от примера 1 тем, что перемешивание части бумажной массы с микросферами осуществляют предварительно перед введением в основной поток бумажной массы. В 1 часть бумажной массы концентрацией 1,5 масс. % вводят полимерные микросферы в соотношении 0,02 массовых частей и перемешивают полученную суспензию не менее 10 минут мешалкой со скоростью не менее 400 об/мин. По окончании перемешивания бумажную массу с наполнителем из полимерных микросфер вводят в основной поток бумажной массы, добавляют минеральный наполнитель, необходимое количество связующих и проклеивающих веществ и изготавливают бумажное полотно с водяным знаком, которое обрабатывается составами на основе крахмала с формированием верхнего и нижнего слоев высокой прочности. Микросферы внутри бумажного полотна распределены равномерно (см. Фиг. 2). Четкость водяного знака определялась в соответствии с МВИ по формуле 1 и показана в Таблице 1. Физико-механические показатели полученной бумаги показаны в Таблице 2.

Пример 3 (заявляемый способ). Пример 3 отличается от примера 2 тем, что концентрация бумажной массы при перемешивании с полимерными микросферами составляет 3,00 масс. %, а процесс перемешивания микросфер проводят в присутствии 2% МКЦ.

В одну часть бумажной массы концентрацией 3,00 масс. % вводят полимерные микросферы в соотношении 0,02 массовых частей и перемешивают в присутствии 2,00% МКЦ не менее 10 минут мешалкой со скоростью вращения не менее 400 об/мин. Полученную суспензию бумажной массы с наполнителем из полимерных микросфер вводят в основной поток бумажной массы, добавляют минеральный наполнитель, необходимое количество связующих и проклеивающих веществ и изготавливают бумажное полотно с водяным знаком, которое обрабатывается составами на основе крахмала с формированием верхнего и нижнего слоев высокой прочности. Микросферы внутри бумажного полотна распределены равномерно (см. Фиг. 3). Четкость водяного знака определялась в соответствии с МВИ по формуле 1 и показана в Таблице 1. Физико-механические показатели полученной бумаги показаны в Таблице 2.

Технический результат. Как видно из приведенных примеров, заявляемый способ позволяет получить бумажное полотно, соответствующее высоким требованиям, предъявляемым к бумаге с водяным знаком для изготовления бланков ценных бумаги и документов, содержащей защитные признаки, и пригодной для печати и проведения цифровой персонализации на современном оборудовании. При этом получается бумага для бланков ценных бумаг и документов с повышенной жесткостью, увеличенной непрозрачностью, пониженной плотностью и улучшенной четкостью водяного знака при сохранении прочности поверхности, повышении впитывающих свойств и сохранении физико-механических показателей, уровень которых обеспечивает беспрепятственную персонализацию документов с водяным знаком на цифровой технике - лазерном и струйном принтерах.