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. для достижения тех или иных необходимых свойств картона используют следующие методы: подбор исходных волокнистых полуфабрикатов, т.е. составлением композиции картона по виду и происхождению волокон; изменение технологических режимов одного или нескольких основных процессов производства (массного размола, отлива, сушки); введение в целлюлозную массу различных добавок (минеральных наполнителей, красителей, дефлокулянтов, проклеивающих и других веществ); отделка картона, включая операции гофрирования, тиснения, покрытия синтетическими пленками и др.; обработка поверхности картона химикатами (поверхностная проклейка, пропитка различными составами, окраска, мелование, пластификация, лакирование, обработка минеральными реагентами) и др. [1–3].
Поведение бумаги и картона при переработке и применении зависит от их прочностных и сорбционных свойств, которые обусловлены, прежде всего, композиционной структурой целлюлозно-бумажных материалов, а также процентным составом и соотношением в бумаге наполнителей, проклеивающих и других вспомогательных веществ [9, 11–14]. Следовательно, получение количественных зависимостей, между композицией исходной бумажной массы и её механическими показателями, а так же между количеством вспомогательных веществ (наполнителей, проклеивающих и др.) и влагопрочностными свойствами бумаг и картонов является актуальной задачей, востребованной и исследователями, и производственниками. Это дает возможность прогнозировать свойства и качество бумажного сырья, что позволит получать готовую продукцию с улучшенными потребительскими свойствами.
Известно, что сорбционные целлюлозы-основы напрямую зависят от впитывающей способности. Пористость картона напрямую определяет его впитывающую способность и прочностные свойства [4–8,10]. Так, волокнистая основа должна иметь определенную впитываемость, которая обеспечила бы надежное закрепление проклеивающих составов на поверхности картона (бумаги). В то же время не должно происходить глубокого проникновения жидкости внутрь основы, так как в этом случае увеличивается количество наносимого клея и может иметь место ослабление сил сцепления его с основой. Поверхность картона-основы при нанесении составов, содержащих растворимые вязкие клеевые составы должна быть сомкнутой и не слишком пористой. При этом введение наполнителя вызывает ослабление межволоконных связей и, как правило, увеличение пористости полотна, что отражается на характере изменения следующих показателей – уменьшается прочность бумаги (картона), степень ее проклейки, жесткость и деформация при намокании [5, 11, 13].
Известно, что необходимая пористость картона обусловливается как степенью помола, так и содержанием наполнителя в основе [12]. О содержании наполнителя в волокнистой основе судят по показателю зольности картона, который определяют по массе прокаленного остатка после сжигания навески образца. О величине пористости обычно судят по показателю воздухопроницаемости или капиллярной впитываемости. Капиллярная впитываемость определяется по способности воды или водных растворов подниматься по капиллярам бумаги и выражается высотой (в миллиметрах), на которую в течение определенного времени поднимается жидкость по вертикально закрепленной и нижним концом опущенной в жидкость полоске испытуемой бумаги. Также о величине пористости можно косвенно судить по показателям впитываемости при одностороннем смачивании.
Требования к величине гладкости волокнистой поверхности зависят от свойств наносимого клея и способа его нанесения. Однако гладкость не должна превышать определенного предела, выше которого наблюдается ухудшение закрепления клея на поверхности. Так, при склеивании картонов наиболее желательна повышенная шероховатость основы, так как увеличивает механическую адгезию между слоями картона, а именно: клей заполняет углубления, проникает в поры склеиваемого материала и волокон и, затвердевая, образует связанную систему.
Сорбционные свойства бумаг и картонов определяются следующими показателями: степенью проклейки и зольностью, а так же значениями капиллярной и поверхностной впитываемости воды при одностороннем смачивании.
Цель работы – экспериментальным путем установить влияние композиционного состава исходного целлюлозного сырья на прочностные свойства исследуемых образцов бумаг, используемых в производстве гофрокартона, а также влияние вспомогательных веществ (наполнителей, проклеивающих и др.) на сорбционные свойства целлюлозы-основы.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования данной работы являлись образцы бумаг различных производителей (г. Волжский, Сыктывкар, Туймазы), используемые в производстве гофрокартона. В частности, для работы были отобраны два вида бумаг для гофрослоя – марки Б–0–125 и Б-3–112, а так же два вида бумаг для плоского слоя гофрокартона – марки КТУ-125 и К-150 (далее картон-основа).
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).
Результаты исследования и их обсуждение
Сравнительные анализ влияния качества исходного сырья на сорбционные свойства бумаг, используемых в производстве гофрокартона, позволили сделать следующие выводы:
1. Прослеживается прямолинейная зависимость между показателями проклейки целлюлозы-основы его впитывающей способностью. С увеличением значений зольности впитывающая способность картона-основы снижается (табл. 1).
Таблица 1
Показатели степени проклейки и впитывающей способности бумаг, используемых в производстве гофрокартона
|
Образец |
Проклейка Д, с/мм |
Капиллярная впитываемость, мм |
Впитываемость при одностороннем смачивании Кобб60, г/м2 |
|
Б-0–125 |
41,1 |
8 |
170 |
|
Б-3–112 |
39,5 |
10 |
210 |
|
КТУ-125 |
114,3 |
1 |
120 |
|
К-150 |
116,8 |
1 |
115 |
Это объясняется тем что, при введении проклеивающих веществ в исходные волокнистые материалы увеличивается склеивание растительные волокон и тем самым снижается впитывающая способность основы за счет заполнения пустотелых каппиляров клеевыми растворами, дающими сплошную пленку на поверхности пропитываемого материала.
2. Наблюдается взаимосвязь между показателями зольности (величина, характеризующая количество неорганических компонентов) и впитывающей способности исследуемых образцов картона-основы. Так, с увеличением зольности наблюдается явная тенденция возрастания значений проклейки картонов, что однозначно указывает на увеличение впитывающей способности целлюлозной поверхности (табл. 2).
Суммарное влияние вспомогательных материалов вводимых в основу – наполняющих (зольность) и проклеивающих (степень проклейки) веществ, на качественные показатели целлюлозы-основы отображено в табл. 3.
Таблица 2
Показатели зольности и впитывающей способности бумаг, используемых в производстве гофрокартона
|
Образец |
Зольность Z, г |
Проклейка Д, с/мм |
Капиллярная впитываемость, мм |
Впитываемость при одностороннем смачивании Кобб60, г/м2 |
|
Б-0–125 |
3,25 |
41,1 |
8 |
170 |
|
Б-3–112 |
2,59 |
39,5 |
10 |
210 |
|
КТУ-125 |
3,82 |
114,3 |
1 |
120 |
|
К-150 |
3,79 |
116,8 |
1 |
115 |
Таблица 3
Влияние проклеивающих и наполняющих веществ (зольность) на качественные показатели целлюлозы-основы
|
Показатель |
Проклейка (введение проклеивающих веществ) |
Наполнение (введение наполнителя) |
|
Толщина |
0 |
– |
|
Плотность |
0 |
+ |
|
Пористость |
+ |
± |
|
Впитывающая способность |
– |
+ |
|
Степень проклейки |
+ |
– |
3. Установлена взаимосвязь между физическими показателями целлюлозной основы (толщина и масса 1 м2), характеризующими ее пористость и показателями впитываемости. Так, увеличение толщины бумаги-основы, при одновременном снижении массы 1 м2 приводит к возрастанию его пористость. О пористости картона косвенно можно судить по показателю капиллярной впитываемости (табл. 4).
Таблица 4
Физические показатели и показатели впитывающей способности бумаг, используемых в производстве гофрокартона
|
Образец |
Толщина образца, мм |
Масса 1 м2, г |
Капиллярная впитываемость, мм |
Впитываемость при одностороннем смачивании Кобб60, г/м2 |
|
Б-0–125 |
0,68 |
429,0 |
8 |
170 |
|
Б-3–112 |
0,71 |
419,5 |
10 |
210 |
|
КТУ-125 |
0,74 |
445,0 |
1 |
120 |
|
К-150 |
0,65 |
457,5 |
1 |
115 |
Таким образом, для количественной оценки сорбционных свойств бумаги и картона необходимо учитывать следующие показатели качества исходного сырья: толщина, масса 1 м2, зольность, степень проклейки и показатели впитываемости.
Прочность картона зависит от прочности целлюлозных волокон и связи между ними. Прочностные свойства картонов определяются главным образом композиционным составом по волокну, количеством введенных основных и вспомогательных веществ (наполнителей, проклеивающих и др.). При рассмотрении влияния композиции по волокну, прежде всего, необходимо учитывать количественное соотношение волокон хвойной и лиственной целлюлозы. Целлюлоза хвойных пород древесины является наиболее ценным волокнистым материалом в производстве картонов, т.к. имеет оптимальные физико-механические показатели, которые обусловлены, прежде всего, максимальной длиной волокна и особенностью его структуры.
Волокна лиственных пород целлюлозы представляют собой относительно короткие толстостенные клетки с иглообразно заостренными концами. По химическому составу волокна лиственной древесины содержат значительное большее количество гемицеллюлоз, чем волокна хвойных пород древесины (хвойные породы содержат 17–27 % гемицеллюлоз, лиственные породы 18–41 %). Гемицеллюлозы являются важным компонентом технической целлюлозы: они пластифицируют и склеивают волокна. Это связано с тем, что они имеют более короткие цепи по сравнению с целлюлозой и при набухании создают поперечные гибкие связи между соседними волокнами, что способствует повышению прочности связей между волокнами в бумажном листе. Так же в производстве картона используются волокна древесной массы, которые характеризуются укороченной длиной при более значительной толщине. Они обладают ограниченной механической прочностью на разрыв, а так же увеличивают пористость и впитываемость картонов.
Анализ влияния композиционного состава по волокну на прочностные свойства исследуемых образцов бумаг, используемых в производстве гофрокартона, показал что:
– с увеличением процентного содержания макулатурной массы показатели прочности бумаг снижаются. При этом наблюдается так же тенденция ухудшения прочностных характеристик бумаг и при снижении содержания волокон хвойной целлюлозы.
– с увеличением значений показателей зольности наблюдается тенденция к снижению прочностных свойств картона-основы (табл. 5).
Таблица 5
Влияние показателей зольности на прочностные свойства бумаги-основы
|
Образец |
Зольность Z, г |
Предел прочности при растяжении σ, МПа |
|
Б-0–125 |
3,25 |
94,72 |
|
Б-3–112 |
2,59 |
99,4 |
|
КТУ-125 |
3,82 |
52,5 |
|
К-150 |
3,79 |
54,6 |
Данная зависимость может объясняться тем, что частицы наполнителя ослабляют межволоконные связи, понижая прочность и усилие, необходимое для разрушения бумаги.
Таким образом, для количественной оценки прочностных свойств бумаг и картонов необходимо учитывать следующие показатели качества исходного сырья: композиционный состав по волокну и зольность.
Выводы. Получение количественных зависимостей между композицией по волокну, показателями зольности исходного сырья и её прочностными свойствами, а также между количеством вспомогательных веществ (наполнителей, проклеивающих и др.) и сорбционными свойствами картонов дает возможность прогнозировать свойства и качество готовой продукции.