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: 06.10.2024).