Композиция для поверхностной обработки бумаги и бумага, изготовленная с использованием этой композиции

Изобретение относится к бумажному производству, в частности к области изготовления защищенной бумаги с биоцидными свойствами, например бумаги для изготовления банкнот. Предложена композиция для поверхностной обработки бумаги, содержащая 12-18 мас.% полиуретановой дисперсии, 0,3-1,2 мас.% 2-метил-4-изотиазолин-3-она, 0,9-2,1 мас.% глицерина, 0,5-1,4 мас.% сшивающего агента на основе полиазиридина и воду. Изобретение также относится к бумаге, изготовленной с применением указанной композиции для поверхностной обработки. Обеспечивается придание бумаге биоцидных свойств при сохранении хороших физико-механических характеристик. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к бумажному производству, в частности, к области изготовления защищенной бумаги с биоцидными свойствами, например, бумаги для изготовления банкнот.

Необходимость придания бумаге для изготовления банкнот биоцидных свойств диктуется тем обстоятельством, что, являясь основным платежным средством наличного денежного обращения, банкноты за время своего существования многократно переходят из рук в руки. При этом на них накапливаются загрязнения и различные патогенные микроорганизмы (микробы, бактерии, грибы, вирусы), которые передаются при контакте от человека к человеку и способствуют распространению опасных инфекционных заболеваний, таких как стрептодермия, кандидоз, гепатит, коронавирусная инфекция и т.д.

Введение в бумагу для изготовления банкнот различных соединений с биоцидными свойствами позволяет повысить безопасность банкнот в процессе обращения за счет снижения содержания на их поверхности патогенных микроорганизмов. Другим решением может быть придание бумаге низких адсорбционных свойств по отношению к жидким субстанциям, выделяемым телом человека (кожный жир, пот), так как эти субстанции могут быть потенциальными носителями патогенных микроорганизмов.

Наилучшую защиту обеспечивает комбинация этих двух решений, то есть введение в бумагу для банкнот соединений с биоцидными свойствами, а также придание бумаге низких адсорбционных свойств. Последнее достигается, в том числе, за счет поверхностной обработки бумаги полиуретановой дисперсией с добавкой сшивающего агента. После такой обработки бумага приобретает повышенную устойчивость к загрязнению, а также снижается её впитывающая способность к водным растворам, маслу, жирам.

Из уровня техники известны соединения, которые можно применить для придания бумаге биоцидных свойств. Например, известен способ изготовления защищенной бумаги, который предполагает введение в бумагу водорастворимых солей полигексаметиленгуанидина (патент RU 2229547 от 27.05.2004). Однако, водорастворимые соли полигексаметиленгуанидина являются сильными коагулянтами и способны активно взаимодействовать со многими химическими соединениями и, в том числе, с полиуретановой дисперсией. По этой причине применять их совместно с полиуретановой дисперсией затруднительно.

Известна композиция с биоцидными свойствами (патент RU 2436305 от 20.12.2011), которая содержит органическое соединение, выбранное, в том числе, из группы изотиазолинонов, а также неорганическое соединение, выбранное из группы оксидов металлов.

Известна композиция с биоцидными свойствами (заявка US 2008227766 от 18.09.2008), состоящая из комбинации двух компонентов, один из которых выбирают из группы бензотиазолинонов, а другой - из группы, содержащей органические и неорганические соединения серебра и, в том числе, наночастицы серебра.

Известна композиция с биоцидными свойствами (патент RU 2436561 от 20.12.2011), которая содержит одним из компонентов соединение на основе изотиазолинона, в качестве которого, в частности, может использоваться 2-метил-4-изотиазолин-3-он. Эта композиция позволяет достичь хороших биоцидных свойств при низком расходе компонентов.

В патенте US 8592045 от 26.11.2013 описаны банкноты с антимикробными свойствами, материал и способ получения. На поверхность банкнот нанесены два различных антимикробных вещества, содержащихся в составе полимерного покрытия. В частности, описано антимикробное вещество на основе изотиазолинона. По мнению авторов, это техническое решение является наиболее близким к заявляемому.

Задача, решаемая изобретением - придание бумаге, обрабатываемой с поверхности составом на основе полиуретановой дисперсии, биоцидных свойств при сохранении хороших физико-механических характеристик.

Задача решается тем, что композиция для поверхностной обработки бумаги, содержащая производное изотиазолинона, согласно изобретению, имеет следующий состав (мас .%):

полиуретановая дисперсия (в пересчете на сухое вещество)	12-18
2-метил-4-изотиазолин-3-он	0,3-1,2
глицерин	0,9-2,1
сшивающий агент на основе полиазиридина	0,5-1,4
вода	остальное

Поставленная задача решается также бумагой, изготовленной с применением композиции для поверхностной обработки, охарактеризованной совокупностью изложенных выше признаков.

Под термином «биоцидные свойства» в изобретении подразумевается способность подавлять развитие патогенных микроорганизмов, таких как микробы, бактерии, грибы, вирусы. Кроме того, под этим термином подразумевается наличие у обработанной этим химическим составом бумаги фунгицидных, антимикробных и антивирусных свойств.

Используемый в изобретении 2-метил-4-изотиазолин-3-он (далее - биоцидная добавка) относится к группе изотиазолинонов и находит широкое применение в качестве консерванта в косметике и лакокрасочном производстве. При изготовлении композиции для поверхностной обработки бумаги (далее - композиция) эту биоцидную добавку необходимо применять в виде водного раствора с концентрацией 10-30%, или, что более предпочтительно, - с концентрацией 10-20%.

В качестве полиуретановой дисперсии в изобретении применяют водные дисперсии иономерного полиуретана анионного типа, в которых часть полиольного компонента замещена полифункциональным мономером с карбоксильными группами, нейтрализованными аммиаком или третичным амином. Причем наиболее предпочтительно использовать полиуретановые дисперсии (далее - ПУД), изготовленные без использования органических растворителей, например, как это подробно описано в патенте RU 2554882 C1 от 27.06.2015. Концентрация ПУД, применяемой при изготовлении композиции, должна быть в диапазоне 28-40%, или, что более предпочтительно, - в диапазоне 28-32%.

Сшивающий агент на основе полиазиридина (далее - сшивающий агент) добавляют в композицию с целью повышения влагопрочности и снижения адсорбционных свойств бумаги по отношению к жидкостям. Количество сшивающего агента в композиции должно быть в диапазоне 0,5-1,4%. Добавка менее 0,5% сшивающего агента не позволяет достичь необходимых характеристик бумаги. В сравнении с этим, добавка более 1,4% сшивающего агента не способствует улучшению характеристик бумаги и является экономически нецелесообразной. Например, в качестве сшивающего агента в изобретении используют продукт с торговым названием CX-100, производимый компанией DSM NeoResins. При совпадении свойств с этой целью можно применить и продукты других изготовителей.

Введение в композицию глицерина способствует улучшению миграции биоцидной добавки из бумажного листа, обработанного полиуретановой дисперсией со сшивающим агентом. Кроме того, наличие глицерина, вероятно, облегчает переход биоцидной добавки с поверхности бумаги в жидкую загрязняющую субстанцию, содержащую патогенные микроорганизмы. Отсутствие в композиции глицерина, при сравнимых дозировках биоцидной добавки, приводит к ухудшению биоцидных свойств бумаги.

Композицию изготавливают следующим образом. ПУД с концентрацией 28-40% предварительно разбавляют водой до требуемой концентрации и перемешивают 5-30 минут. Затем в разбавленную ПУД при непрерывном перемешивании добавляют расчетные количества остальных компонентов: биоцидную добавку в виде водного раствора с концентрацией 10-30%, глицерин и сшивающий агент на основе полиазиридина. Весь процесс приготовления композиции проводят при температуре 18-25°С. Готовую композицию с pH 7,0-9,5 применяют для обработки бумаги в течение 8-12 часов с момента приготовления. При необходимости, в композицию также добавляют, с целью улучшения биоцидных свойств, стабилизированные в водной среде частицы коллоидного серебра размером 10-50 нм.

Бумагу изготавливают по известной технологии производства банкнотной бумаги. Для этого осуществляют размол волокнистого сырья и готовят бумажную массу. В приготовленную бумажную массу добавляют: наполнители (двуокись титана, мел, каолин и т.д.), добавки для повышения прочности бумаги в сухом и мокром состоянии (натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы, полиамид(амин)эпихлоргидринная смола и т.д.), вещества для внутримассной проклейки бумаги (димеры алкилкетена, алкенил янтарные кислоты и т.д.), красители (прямые, кислотные и т.д.) и др. Кроме того, в бумажную массу вводят добавки, необходимые для защиты от подделки, такие как окрашенные волокна, волокна с флуоресцентными и магнитными свойствами и др.

Из приготовленной бумажной массы на круглосеточной или плоскосеточной бумагоделательной машине (БДМ) формуют бумажное полотно, которое может содержать водяные знаки, встроенные в структуру бумаги защитные нити и др. Сформованное и предварительно подсушенное бумажное полотно обрабатывают композицией в соответствии с изобретением на БДМ (on-line), используя для этого клеильный пресс, пленочный пресс, пропиточную ванну и т.д. В частном случае, готовое бумажное полотно обрабатывают композицией в соответствии с изобретением на отдельно стоящем оборудовании (off-line). Температура композиции в процессе обработки бумажного полотна не должна превышать 35°С.

Для оценки биоцидных свойств бумаги используют метод испытания, который основан на определении изменения интенсивности биолюминесценции генно-инженерных бактерий под воздействием биоцидных добавок, содержащихся в образцах бумаги. В качестве отрицательного контроля применяют бумагу без биоцидных добавок. Для испытания используют люминометр «Биотокс-10» с набором кювет для измерения биолюминесценции, а также биологический индикатор «Эколюм», который представляет собой непатогенные биолюминесцирующие бактерии. В процессе испытания образцы бумаги выдерживаются в водном растворе биологического индикатора «Эколюм» в течение 5 минут. Затем осуществляют измерение биолюминесценции. Чем больше снижение интенсивности биолюминесценции (гашение), тем лучше биоцидные свойства бумаги.

Далее заявленная композиция подробно объясняется на примерах.

Примеры осуществления

Осуществляют размол волокнистого сырья и приготавливают бумажную массу. Состав бумажной массы - 100% хлопковое волокно. В эту бумажную массу на разных стадиях подготовки вводят необходимые добавки в соответствии с технологией изготовления банкнотной бумаги. Из приготовленной бумажной массы на БДМ формуют бумажное полотно, которое после предварительной сушки обрабатывают в пропиточной ванне композициями, содержащими биоцидную добавку (примеры 2-12). Для отрицательного контроля изготовляют бумагу, используя композицию без биоцидной добавки (пример 1). Бумагу, обработанную этими композициями, окончательно сушат, каландрируют и сматывают на накат.

Рецептуры композиций для обработки бумаги показаны в таблице 1.

Результаты оценки биоцидных свойств бумаги за счет снижения интенсивности биолюминесценции (гашения), по отношению к отрицательному контролю (пример 1), показаны в таблице 2.

Как видно из результатов испытания, добавка в композицию глицерина способствует улучшению биоцидных свойств бумаги. Так, сравнение композиции без глицерина (пример 2) с композициями, содержащими глицерин (примеры 5-7), при одинаковой дозировке биоцидной добавки, показывает увеличение гашения биолюминесценции за счет добавки глицерина. То есть, при одинаковой дозировке эффективность действия биоцидной добавки в присутствии глицерина увеличивается.

Причем, наилучший результат достигается при применении композиций в соответствии с изобретением (примеры 8-11), которые позволяют снизить расход биоцидной добавки, по сравнению с композициями, не содержащими глицерин (примеры 2-4), при сохранении хороших биоцидных свойств бумаги. Кроме того, испытание бумаги, изготовленной с применением композиций в соответствии с изобретением (примеры 8-11), демонстрирует наличие хороших физико-механических характеристик.

Таким образом, применение композиций в соответствии с изобретением позволяет изготовить бумагу с хорошими биоцидными свойствами при сохранении её физико-механических характеристик. Это достигается за счет определенного сочетания компонентов, а также за счет применения в композиции глицерина, который позволяет снизить дозировку биоцидной добавки при сохранении эффективности её действия.

1. Композиция для поверхностной обработки бумаги, содержащая производное изотиазолинона, имеющая следующий состав (мас.%):

полиуретановая дисперсия
(в пересчете на сухое вещество)	12-18
2-метил-4-изотиазолин-3-он	0,3-1,2
глицерин	9-2,1
сшивающий агент на основе полиазиридина	0,5-1,4
вода	остальное

2. Бумага, изготовленная с применением композиции для поверхностной обработки, охарактеризованной в п. 1.