В настоящее время упаковочная промышленность в России, является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей. Ее развитие стимулируется постоянно повышающимся спросом на современные упаковочные материалы.
Среди большого многообразия используемых упаковочных материалов картон и бумага занимают ведущее место в тароупаковочной отрасли. Доля их использования составляет в среднем 50 % общего потребления и доминирует не только по объемам производства, но и по широкой номенклатуре тароупаковочной продукции и ассортименту упаковываемых товаров [5].
Наиболее распространенным материалом для создания картонной упаковки является склеенный картон. Склеенный картон состоит из нескольких отдельно изготовленных и склеенных между собой слоев. Появление склеенного картона было связано с необходимостью создания упаковочного материала, обеспечивающего защиту товара от механических воздействий. Для потребителя упаковка из данного материала является удобной и практичной ввиду своей прочности при транспортировке, лёгкости, компактности и невысокой цене в сравнении с другими видами упаковки. Благодаря несложной конструкции склеенный картон остается наиболее перспективным современным упаковочным материалом, из которого можно создать тару любой конфигурации, прочности и отделки. Отдельное место в сфере тароупаковочной индустрии занимает влагопрочный картон.
Наиболее эффективным способом решения вопроса влагопрочности картона является его проклейка в массе на бумагоделательной или картоноделательной машине, когда вещества вводятся в бумажную массу [5, 6]. Проклейка в массе осуществляется введением раствора проклеивающих веществ в волокнистую суспензию, находящуюся в бассейне. При этом проклеивающие вещества распределяются по всей толщине бумаги.
Процесс проклейки бумаги или картона в массе начинается с момента введения клея в водно-волокнистую суспензию и завершается в сушильной части бумагоделательной машины. Следовательно, начиная с этого момента и кончая получением готовой продукции, этот процесс подвержен активному воздействию многих технологических факторов. Одновременно вносимые в коллоидно-химическую систему проклеивающие материалы и коагулянты оказывают большое влияние практически на все свойства данной системы, то есть сами выступают возмущающим фактором [1, 2]. Кроме того, на процесс проклейки еще задолго до введения клея в бумажную массу и после получения бумаги оказывают свое влияние различные факторы, например, факторы процесса приготовления клея и др [3].
Таким образом, на проклейку бумаги и картона в массе оказывают активное влияние всевозможные факторы, часто объективно носящие противоречивый характер. Этим можно объяснить сложность управления процессом проклейки, а также трудности, связанные с обеспечением стабильности качества проклейки и ее оптимизации. К основным факторам процесса проклейки относят качество клея, последовательность и место введения проклеивающих и коагулирующих материалов, соотношение между количеством клея и коагулята, кислотность бумажной массы и рН, температуру массы, свойства проклеиваемой бумажной массы, качество производственной воды, режимы формования, прессования и сушки бумаги [1, 2, 3, 4].
Следует учитывать что, основу процесса проклейки составляют поверхностные явления. После введения клея в массу и равномерного распределения частиц в волокнистой системе, частицы клея удерживаются в массе, закрепляются на поверхности волокна. Эти явления протекают при отливе и обезвоживании листа в мокрой части картоноделательной машины. Удержание частиц клея и их фиксирование на волокне находится в области физико-химических процессов адсорбции и электростатического взаимодействия. Волокнистая суспензия целлюлозной массы относится к коллоидно-химическим системам с отрицательным зарядом поверхности, обусловленным образованием двойного электрического слоя. Величина заряда поверхности волокна определяется преимущественно видом волокнистых полуфабрикатов композиции массы.
Эффективность проклейки в значительной мере определяется качеством рабочего раствора клея, которое зависит от выбора исходного материалы, применяемого для определенного вида клея, условий варки клея-пасты, диспергирования и разбавления сваренного клея-пасты до рабочего раствора [1, 3]. В настоящее время целлюлозно-бумажные предприятия получают таловую, живичную и экстракционную канифоль и ее модификации, лиственничную канифоль, пек. Все эти продукты значительно отличаются по своим физико-химическим свойствам, поэтому при приготовлении качественного рабочего раствора клея необходимо учитывать не только технологические особенности предприятия и определенные условия производства бумаги и картона, но и материала, из которого готовится проклеивающий состав. Поскольку на предприятиях в основном освоено приготовление различных видов клея из живичной канифоли, то эту технологию материала приводит к смоляным затруднениям в технологическом потоке и к снижению проклейки.
Условия нейтрализации смоляных кислот канифоли и варки клея имеют некоторые особенности. Прежде всего нужно выбрать нейтрализующий агент и в зависимости от технологических условий определить соотношение вода-сода-канифоль. При нарушении этого наблюдается сильное пенообразование, перелив из котла реакционной смеси, поэтому качество клея-пасты резко ухудшится, полученный вид клея не будет соответствовать предусмотренному технологическому режиму.
В качестве нейтрализующего агента при использовании канифольных продуктов, кроме живичной канифоли, чаще всего выступает гидроксид натрия. При использовании карбоната натрия требуется строгое соблюдение температурного режима. Для снижения пенообразования к канифольным продуктам добавляют около 5–10 % парафина. Это дает хороший эффект особенно при варке клея, которую следует проводить при определенном температурном режиме и интенсивном периодическом перемешивании. Время варки в зависимости от оборудования 1,5–3 часа. После нейтрализации канифоли клей-пасту надо перевести в состояние, при котором полученную дисперсию можно вводить непосредственно в бумажную массу или наносить на поверхность целлюлозы-основы [3, 5].
Для обеспечения высокого проклеивающего эффекта, клей необходимо добавлять в бумажную массу раньше, чем коагулятор, и с таким расчетом, чтобы частицы клея могли равномерно распределиться между волокнами до их коагулирования и фиксации на волокне. Выполняется это условие обычно введением клея и коагулянта в разных местах технологического потока: клей чаще всего в мешальный, а коагулянт в машинный бассейны. Такая подача химикатов обеспечивает также завершение процесса коагулирования и фиксации клея на волокне до начала формования бумажного листа, в противном случае увеличится унос клея с оборотной водой, снизится эффективность канифольного клея и ухудшится проклейка. Что касается добавки наполнителей, то лучшее их удерживание наблюдается, если их вводить перед подачей коагулянтов. Однако следует помнить, что содержание наполнителя влияет на результат проклейки – она ухудшается с ростом зольности бумаги.
По степени проклеиваемости волокнистые материалы располагаются в следующей последовательности: целлюлоза сульфатная небеленая, древесная масса, целлюлозы сульфатная беленая, сульфитная беленая и сульфитная небеленая, тряпичная полумасса [5,6].
Наполнители снижают проклейку, особенно при их высоком содержании. Меньше всего снижают проклейку двуокись титана, тальк и гипс, больше сульфат бария, сернистый цинк и больше всех карбонат кальция, разлагающийся в кислой воде с образованием резината кальция [6].
Качество проклейки, в конечном счете, при прочих равных условиях определяется удержанием клея в бумажном полотне, на что оказывает большое влияние режим обезвоживания в сеточной и прессовой частях бумагоделательной машины. Удержание клея может колебаться от 40 до 90 %, но обычно сохраняется в пределах 50 – 60 %. Здесь следует «обращать внимание на работу обезвоживающих элементов и избегать малооправданной интенсификации обезвоживания бумаги, особенно в начале сеточного стола и для тонких и изготавливаемых из садкой массы видов бумаги. Для снижения потерь клея с оборотной водой необходимо обеспечить осаждение и закрепление его частиц до выхода массы на сетку. Закрепленные частицы меньше промываются, и потери клея преимущественно обусловлены уносом его с мелким волокном и частицами наполнителя. Следовательно, увеличить удержание клея можно теми же методами, что и снижение потерь волокна и наполнителя.
Клеевые осадки на волокнах еще не являются гидрофобными преградами на пути влаги. Для их гидрофобизации необходимо спекание смоляных комплексов, протекающее во времени и под действием высоких температур. Поэтому процесс проклейки завершается в период сушки бумаги. Процесс спекания характеризуется температурой спекания клеевого осадка, которая зависит от вида клея и содержания в нем свободной смолы.
Таким образом, для получения влагопрочного упаковочного картона необходимо контролировать следующие технологические параметры:
– подбор исходных волокнистых полуфабрикатов, т.е. составлением композиции бумаги и картона по виду и происхождению волокон;
– изменение технологических режимов одного или нескольких основных процессов бумажного производства (массного размола, отлива, сушки);
– введение в бумажную массу различных добавок (проклеивающих, коагулирующих, дефлокулирующих, нейтрализующих и других вспомогательных веществ);
– подбор композиции проклеивающих составов и разработка технологических режимов процесса проклейки с учетом вида целлюлозного волокна и особенностей конструкции технологического оборудования.