Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ УПАКОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПУТЕМ ХИМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ СОРБЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БУМАГИ-ОСНОВЫ

Муллина Э.Р. 1 Чупрова Л.В. 1 Мишурина О.А. 1 Ершова О.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
В работе представлены результаты исследования влияния проклеивающих компонентов различной природы, на влагопрочность и впитывающую способность бумаги-основы. Рассмотрено влияние состава по волокну и природы вводимого гидрофобизирующего компонента на прочностные и сорбционные свойства бумаги-основы. Представлен анализ сорбционной способности катионных и анионных проклеивающих материалов волокнами целлюлозы. Рассмотрено влияние природы, способа обработки и состояния поверхности волокна на эффективность проклейки бумаги-основы. Проанализирована зависимость между показателями проклейки и впитывающей способности бумаги-основы. Установлена взаимосвязь между показателями впитываемости и адгезионными свойствами бумаги-основы при различных способах ее обработки – склеивании, ламинировании и др. Представлены результаты влияния прочностных и сорбционными свойствами бумаги-основы на показатели прочности при расслаивании на примере образцов гофрированного, склеенного, мелованного и ламинированного картона. Рассмотрено влияние прочностных, влагопрочностных и адгезионных свойств исходного волокнистого сырья на качество готовой продукции. Дан анализ эффективности процессов проклейки бумаги-основы при различных способах ее переработки. Предложены способы химической модификации бумаги-основы с целью улучшения эксплуатационных свойств бумажной упаковки.
бумажная упаковка
качество
адгезия
проклеивающие материалы
проклейка
сорбционные свойства
бумага-основа
1. Вайсман, Л.М. Структура бумаги и методы ее контроля / Л.М. Вайсман. — М.: Лесная промышленность, 1973. — 152 с.
2. Ермаков С.Г., Хакимов Р.Х. Технология бумаги. – Пермь: Пермский гос. Тех. Университет, 2002.
3. Иванов, С.Н. Технология бумаги [Текст] / С.Н. Иванов. – М.: Лесная промышленность, 1970. – 700 с.
4. Кусмауль, К.В. Тара с повышенными потребительскими свойствами / К.В. Кусмауль. – М.: ЦНИИТЭИМС, 1966. – 18 с.
5. Кирван, Марк Дж. Упаковка на основе бумаги и картона [Текст] / Марк Дж. Кирван – пер. с англ. / В. Ашкинази; науч. ред. Э. Л. Аким, Л. Г. Махотина. — СПб.: Профессия, 2008. – 488 с.
6. Мозырева, Е.А., Санников, С.П. Проклейка бумажной массы: методические указания. – Екатеринбург: УГЛТА, 1996. – 22 с.
7. Муллина Э.Р., Мишурина О.А., Чупрова Л.В., Ершова О.В. Влияние химической природы проклеивающих компонентов на гидрофильные и гидрофобные свойства целлюлозных материалов // Современные проблемы науки и образования. – 2014. - № 6. – С. 250.
8. Мишурина О.А., Тагаева К.А. Исследование влияния композиционного состава по волокну на влагопрочностные свойства исходного сырья при производстве картонных втулок // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. — 2013. — Т. 1. № 71. — С. 286-289.
9. Мишурина О.А., Чупрова Л.В., Муллина Э.Р., Ершова О.В. Исследования качества исходного сырья на прочностные свойства картонных втулок //Современные проблемы науки и образования. – 2014. - № 1. – С. 254.
10. Мишурина О.А., Чупрова Л.В., Муллина Э.Р. Исследование влияние химического состава углеводородной части различных видов целлюлозных волокон на физико-механические свойства бумаг для гофрирования // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. – 2013. - № 8. – С. 52-55.
11. Фляте, Д. М. Технология бумаги: учеб. для вузов. — М.: Лесная промышленность, 1988. — 440 с.
Наиболее распространённым материалом для создания картонно-бумажной упаковки является картон. Производством упаковки из картона и гофрокартона в стране занято более 180 небольших фабрик расположенных преимущественно в многонаселенных районах. Однако одним из существенных недостатков производимой картонной упаковки является слабая влагопрочность. Это значительно сужает сферу его применения в тех случаях, когда требуется сохранение прочности упаковки в условиях повышенной влажности. Между тем опыт зарубежных стран показывает, что именно использование тары из влагопрочного гофрокартона и картона с защитными свойствами наиболее эффективно, поскольку при этом значительно расширяется область его применения и обеспечивается экономное расходование ресурсов на тару [4, 5].

Один из кардинальных способов придания барьерных свойств бумаге и картону - ламинирование полиэтиленом или полипропиленом. Это ла­минирование пленкой или методом экструзии. Ламинированный картон можно отнести к упаковочным видам. А вот производство ламинированно­го гофрокартона весьма затруднительно. Температура текучести полиэти­лена 130°, а температура на гофроагрегате 160-180°. Ламинированный кар­тон при этом коробится. Велика вероятность прилипания полиэтилена к горячим валам и сушильным плитам. А двухсторонний ламинированный гофрокартон на гофроагрегате произвести невозможно, т.к. на сушильном столе должно происходить выпаривание воды хотя бы с одной стороны. В результате, в данном случае удается защитить гофрокартон только с одной стороны. Обратная сторона остается незащищенной. Такой гофрокартон, например, в виде гофролотков, при длительном хранении в условия высокой влажности или прямого контакта с водой рано или поздно все же теря­ет свои прочностные свойства. Кроме того, возникает проблема утилиза­ции отходов. Практически все бумажные фабрики отказываются от такой макулатуры [1, 2, 3].

Еще один способ усиления влагопрочности целлюлозных материалов - поверхностная проклейка. К числу проклеиваю­щих веществ относят такие, которые придают бумаге гидрофобность. Про­клеивающие вещества применяются в виде специальных растворов или эмульсий. Готовую бумагу или картон подвергают проклейке путем про­питки в растворе клея или его нанесения на поверхность листа. Поверхно­стная проклейка может быть осуществлена на отдельных машинах или не­посредственно на бумагоделательной машине в клеильном прессе. В этом случае бумага подвергается пропитке лишь с поверхности, а в толще листа остается непроклеенной. Эти вещества придают бумаге нужную степень гидрофобности, снижают ее способность поглощать воду. Однако поверх­ностная проклейка лишь временно задерживает увлажнение бумаги, при длительном хранении во влажном состоянии такая бумага или гофрокар­тон все же впитывают воду с обратной стороны и теряют свою прочность. Кроме того, гидрофобные вещества не увеличивают, а даже несколько снижают механическую прочность сухой бумаги [6, 7, 11].

Для придания бумаге некоторых специфических свойств применяют различные виды проклеивающих веществ, которые сообщают бумаге водостойкость, а также и такие, которые связывают волокна между собой в бумажном листе и тем самым способствуют повышению сомкнутости и механической прочности бумаги, первые называют гидрофобизирующими, а вторые - связующими проклеивающими веществами. В качестве таких материалов наиболее эффективно применяются: обычная и модифицированная канифоль, парафин, горный воск, стеараты, силиконы, битум, латекс, синтетические клеи на основе димеров алкилкетенов (аквапел) и др. Данные вещества придают бумаге нужную степень гидрофобности, снижают ее способность поглощать воду и делают бумагу пригодной для письма чернилами, однако они (за исключением латексов и битумов, которые обладают и связующими свойствами) не увеличивают, а даже несколько снижают механическую прочность сухой бумаги [1, 10].

Во всем мире уже многие годы используются гидрофобные добавки в крахмальные клеи. В России наибольшее распространение получила гид­рофобная добавка CP-88 производства «Кармель Ресинз» (Израиль), пред­ставителем которого является ЗАО «Файнд-К». Гидрофобная добавка вы­зывает уплотнительный эффект, лишая клеевой шов возможности присое­динять молекулы воды. Гофрокартон, изготовленный с применением гид­рофобных добавок в крахмальный клей, становится более стойким к по­вышенной влажности и перепадам температур. Снижается расслойка гоф­рокартона. Однако это решение только части проблем. Гидрофобная до­бавка защищает только клеевой шов, при этом плоский слой и бумага для гофрирования остаются незащищенными от воды. В условиях повышенной влажности бумажная масса со временем набирает влагу и гофрокартон все же теряет свои прочностные свойства, хотя и в меньшей степени [1, 3, 9].

Наиболее эффективным способом решения вопроса влагопрочности является проклейка в массе на бумагоделательной или картоноделательной машине, когда вещества вводятся в бумажную массу. Проклейка в массе осуществляется введением раствора проклеивающих веществ в волокни­стую суспензию, находящуюся в бассейне. При этом проклеивающие ве­щества распределяются по всей толщине бумаги.

Смолы для придания влагопрочности - важная группа химикатов бумажного производства. Их действие необычно тем, что они вызывают нереверсируемые изменения в физических свойствах бумаги - её прочно­сти в сухом состоянии и к стойкости к воде - а не просто улучшают ее качество [1, 3, 11].

Влагопрочные смолы, имеют положительный (катионный) заряд. Молекулы целлюлозы имеют отрицательный (анионный) заряд. За счет этого происходит сращивание молекул целлюлозы с молекулами смол. При этом повышается прочность бумаги, как в сухом, так и во влажном со­стоянии [7, 11].

Производство многих видов упаковочных 6умаг и картонов, как, например, картона для плоских слоев, бумаги для гофрирования и обёрточной бумаги предусматривает использование макулатуры в качестве основного сырья. Этот ассортимент требует наименьших затрат на тонну продукции. Чтобы применять макулатурную массу в широком ассортименте целлюлозно-бумажных изделий, ее необходимо подвергать глубокому облагораживанию с высокой степенью восстановления бумагообразующих свойств, что требует капиталовложений несколько иного порядка. Дело в том, что при использовании в бумажном производстве низкокачественных волокнистых полуфабрикатов вообще и вторичного сырья в частности возникает ряд проблем, требующих серьезных логистических проработок, материалы, получаемые из такого сырья, не имеют достаточного уровня прочности, жесткости и чистоты поверхности [8, 9].

Многие годы для устранения проблем использовались нательные крахмалы. Их основe преимущество - низкая стоимость, а главный недостаток - значительный расход на тонну продукции и замедление обезвоживания.

Катионные крахмалы позволили устранить эти недостатки. Они имеют прочную адсорбцию к волокну и хорошо удерживаются в массе, благодаря чему покрывают большую поверхность волокон и дают хорошее внутреннее сцепление при низком расходе. В дополнение, катионные крахмалы являются эффективным средством удержания мелочи, наполнителей и вредной смолы. Если удержание катионных крахмалов в бумажном полотне достигает 95%, то они ведут себя как полимерные флокулянты, что обычно характерно для низкомолекулярных катионных полимеров. Мягкая флокуляция позволяет получать в бумажной массе вместо огромных флокул, небольшие микрофлокулы, что
важно с точки зрения показателя неоднородности просвета бумаги [1, 2, 11].

Цель данной работы - исследовать возможности получения влагопрочного гофрокартона путем химической модификации сорбционных свойств волокнистой основы.

Материалы и методы исследования. Объектом исследования являлись образцы картона и гофрокартона с различным содержанием гидрофобизирующих добавок.

Экспериментальные исследования проводились по следующим методикам: определение композиции исследуемых образцов бумаги и картона по ГОСТУ 7500-85; определение зольности по ГОСТУ 7629- 934; определение прочности на разрыв и удлинения при растяжении по ГОСТУ 13525.1-79; определение сопротивления расслаиванию картона проводился по ГОСТ 13648.6-86; определение влажности по ГОСТУ 13525.19-91; определение поверхностной впитываемости воды при одностороннем смачивании по ГОСТ 12605-97; определение капиллярной впитываемости по ГОСТУ 12602-67; определение степени проклейки по ГОСТ 13648.6 - 86, определение влагопрочностных свойств гофрированного картона по ГОСТ 13.525.19-91 (Бумага и картон).

Влагопрочность - это отношение прочности гофрированного картона во влажном состоянии к прочности в сухом состоянии, выраженном в процентах.

В нашем случае прочность определялась при помощи прибора сопротивления продавливанию (ПР-1). Методика проведения эксперимента указана в ГОСТ 13525.8-86.

Метод заключается в определении давления, необходимого для разрушения зажатого по кольцу образца бумаги, по ГОСТ 13525.8-86 полуфабрикаты волокнистые, бумага и картон. Метод определения сопротивления продавливанию. Сопротивление бумаги продавливанию определяют на приборе ПР-1. Принцип действия прибора заключается в нагружении гидростатическим давлением испытуемого образца, представляющего собой круглую мембрану, защемленную по периметру. Прибор состоит из станины, на которой укреплен цилиндр с камерой, заполненный глицерином. Внутри камеры перемещается плунжер с резиновой манжетой, верхнее отверстие камеры закрывается резиновой диафрагмой, прижимаемой к краям камеры вставным кольцом и гайкой.

При испытании образец бумаги кладут на диафрагму и зажимают с помощью прижимного стакана посредством рычага с эксцентриком. При перемещении плунжера, осуществляемого вращением маховика, в камере создается давление, для контроля которого служит манометр. Из листов картона вырезают образцы размером 70х70 мм. Установив контрольную стрелку манометра на нулевое положение шкалы, вставляют образец бумаги в зазор между прижимным стаканом и вставным кольцом и зажимают его, поворачивая рычаг по часовой стрелке до отказа. Затем равномерно начинают вращать маховик по часовой стрелке со скоростью 50-60 об/мин. После разрушения образца вращением маховика в обратную сторону снимают давление в камере.

Повышенная атмосферная влажность составляла 98 % и была смоделирована с помощью насыщенного раствора соли (K2SO4) при концентрации 11 г100 г воды.

При проведении экспериментальных исследований влагопрочность достигалась путем химической модификации впитывающей способности целлюлозных волокон. Для изменения сорбционных свойств волокнистой основы в бумажную массу в мокрой части КДМ в процессе изготовления картона вводили катионномодифицированные формы крахмала (Emcol КР45).

Результаты исследования

Полученные результаты исследования показали, что при добавлении катионного крахмала в бумажную массу в незначительных объемах наблюдается постепенная монотонная нейтрализация анионного заряда волокон целлюлозы. Далее, при введении избыточных объемов гидрофобизатора, только часть добавленного крахмала удерживается в листе, а остаток уходит с водой, после удаления волокнистой массы. Кроме того, отмечено что, избыточно катионированная волокнистая масса не может адсорбировать другие катионные добавки, такие как клеящие вещества, вводимые для повышения удерживаемости наполнителя в бумажной массе.

Количество максимально вводимого крахмала составило 20 г/кг.

Содержание наполнителя в волокнистой массе составляет не более 25 % масс. от общей массы бумажного листа. Количество макулатурной массы в исследуемых образцах картона составляло 30 %, 50 % и 70 %.

Таблица 1

Полученные результаты исследований

Образцы картона

Количество макулатурной массы, %

Крахмала в бумажной массе, г/кг

Влагопрочность, %

Сопротивление расслаиванию, кПа

1

30

10,0

35

455

2

12,0

42

423

3

15,0

51

416

4

20,0

59

398

5

25,0

60

396

6

50

10,0

33

431

7

12,0

35

420

8

15,0

40

417

9

20,0

49

401

10

25,0

50

400

11

70

10,0

12

406

12

12,0

14

401

13

15,0

21

394

14

20,0

25

386

15

25,0

28

387

Анализ полученных результатов показал что, при повышении содержания макулатурной массы в композиции образца картона значительно снижаются показатели влагопрочности готовой продукции. Данный факт может объясняться снижением эффективности действия сил межволоконного сцепления вследствие разубоживания волокнистой массы деструктированными волокнами макулатуры.

Кроме того, прослеживается взаимосвязь между количеством введенного катионного гидрофобизатора (крахмала) и показателями влагопрочности и впитывающей способностью. При этом следует отметить, что избыточное введение гидрофобизатора практически не влияет на усиление влагопрочности и сорбционной способности картонов.

Общие отличительные особенности полученных образцов картона заключаются в следующем:

  • значительно снижается как капиллярная, так и поверхностная впитываемость картонов;
  • существенно повышается прочность, как в сухом, так и во влажном состоянии;

Заключение

Полученные практические результаты исследования позволили сделать следующие выводы:

  • метод химической модификации сорбционных свойств целлюлозных волокон является перспективным и актуальным при разработке бумажных упаковочных материалов с улучшенными эксплуатационными свойствами.
  • использование катионно-модифицированных крахмалов в качестве гидрофобизирующих добавок позволяет получить влагопрочные образцы картонов.
  • разработка таких технологий в России является актуальной, и рынок сбыта ее представлен в широком ассортименте: упаковка для замороженных продуктов, полуфабрикатов, рыбы, охлажден­ного мяса, птицы, транспортировка и хранение овощей и фруктов при от­носительной влажности 85-95%, хранение промышленной продукции в хо­лодных складах, в том числе открытых, в условиях перепада температур, повышенной влажности и конденсата.

Рецензенты

Бигеев В.А., д.т.н., профессор, директор института металлургии, машиностроения и металлообработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск;

Стеблянко В.Л., д.т.н., профессор ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск.


Библиографическая ссылка

Муллина Э.Р., Чупрова Л.В., Мишурина О.А., Ершова О.В. ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ УПАКОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПУТЕМ ХИМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ СОРБЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БУМАГИ-ОСНОВЫ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=18874 (дата обращения: 23.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074