CC BY
54
Химия растительного сырья. 2012. №3. С. 189-192.
Бумага и картон
УДК 676.274:678.5
ПРИМЕНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ И ЭЛЕКТРЕТИРОВАНИЯ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ГОФРИРОВАННОГО КАРТОНА
© Л.Р. Мусина', М.Ф. Галиханов
Казанский национальный исследовательский технологический университет, ул. К. Маркса, 68, Казань, 420015 (Россия), e-mail: L.musina@yandex.ru
В статье предложен способ повышения механической прочности гофрированного картона с помощью полиоле-финовых пленочных материалов. Упрочнение полимерными пленками основано на создании барьерной защиты структуры целлюлозно-бумажного материала от влияния влаги.
Одними из главных факторов, определяющих механическую прочность бумажной композиции, являются ориентация волокон и сила связи между ними, Придание ориентированного состояния структурным элементам комбинированного материала возможно применением процесса электретирования, В ходе экспериментальных исследований установлено положительное влияние электретирования картона с полимерными материалами в коронном разряде на показатели качества упаковочного материала,
Ключевые слова: гофрированный картон, полимеры, электретирование, барьерные свойства, механическая прочность,
Введение
Основная функция упаковки из гофрокартона - защита содержимого в процессе транспортирования и хранения. Применение паллетизации при складировании и транспортировке гофротары обусловлено высокими требованиями к ее штабелированию и выдержке динамических нагрузок. Высокая гигроскопичность гофрированного картона не позволяет обеспечивать сохранение структуры и геометрии упаковки и, как следствие, ведет к потерям упаковываемой продукции [1].
Одним из перспективных направлений в современной физике и материаловедении является модифицирование свойств диэлектриков с помощью воздействия электрического поля, например электретирование. Электретным эффектом называется способность диэлектриков накапливать и длительно сохранять электрические заряды [2, 3]. Интерес представляют исследования, направленные на получение упаковочных материалов с электретным эффектом, способных продлевать срок годности упаковываемого пищевого продукта [4, 5]. Обычный гофрированный картон не способен электретироваться, однако такая возможность появляется после обработки его поверхности полимерными материалами. К тому же показано [6, 7], что поверхностная обработка гофрокартона полимерными пленками может повысить ряд эксплутационных характеристик данного материала. Это открывает возможность получения упаковочного материала с улучшенными эксплу-тационными свойствами и расширения областей его применения. Таким образом, достижение высоких показателей качества гофрированного картона представляет как научный, так и практический интерес.
Цель настоящей работы - изучение влияния полиолефинового покрытия на физико-механические свойства гофрированного картона при воздействии статических и динамических нагрузок; исследование
адгезионной прочности слоев гофрированного картона и его барьерных характеристик при использовании поверхностной обработки полимерами; придание электретного эффекта комбинированному материалу и оценка его влияния на показатели качества гофрированного картона.
Мусина Ляйсан Рафаиловна - аспирант кафедры технологии переработки полимеров и композиционных материалов, e-mail: L.musina@yandex.ru Галиханов Мансур Флоридович - профессор кафедры технологии переработки полимеров и композиционных материалов, доктор технических наук, доцент, e-mail: mgalikhanov@yandex ru
* Автор, с которым следует вести переписку,
Экспериментальная часть
В качестве объектов исследования выбран гофрированный картон (ГК) марки Т 21-23С (ГОСТ Р 52901-2007). Для формирования полимерного покрытия взяты полиолефиновые пленки из полиэтилена высокого давления (ПЭ), полипропилена (ПП) и сополимера этилена с винилацетатом (СЭВА), толщиной
10, 23 и 90 мкм соответственно. Покрытие полимерной пленкой поверхности картона осуществлялось в термошкафу при температурных параметрах, соответствующих температуре переработки данных полимеров. Охлаждение гофрокартона с поверхностной обработкой проводили при комнатной температуре. Часть образцов гофрированного картона с покрытием электретировали в отрицательном коронном разряде.
После обработки образцы гофрированного картона подвергались воздействию статических (испытание по показателям «Сопротивление торцевому сжатию» по ГОСТ 20683-97, «Влагопрочность при длительном намокании» по ГОСТ 13525.7-68) и динамических (испытание по показателю «Сопротивление продавливанию» по ГОСТ 13525.8-86) нагрузок. Адгезионная прочность оценена показателем «Сопротивление расслаиванию» согласно ГОСТ 22981-78. Для исследования барьерных характеристик гофрированного картона проведены испытания на определение впитываемости при полном погружении согласно ГОСТ 13648.5-78.
Обсуждениерезультатов
Видно, что поверхностная обработка гофрированного картона полимерами повышает уровень физи-ко-механических и адгезионных свойств материала (табл. 1). Упрочнение структуры гофрированного картона при поверхностной обработке обусловлено проникновением расплава полимера в структуру картона, что способствует уплотнению и ограничению степени свободы, а также приводит к более сильному меха -ническому сцеплению волокон.
Некоторое снижение показателей качества гофрокартона при поверхностной обработке полипропиленом и сополимером этилена с винилацетатом (например сопротивление расслаиванию) можно объяснить слабой адгезией ме^ду лайнером и полимерным покрытием и, как следствие, отсутствием влияния фактора дополнительных зацеплений и сил на отделение флютинга от упрочненного лайнера.
Интерес представляют результаты изменения показателей качества гофрокартона с увеличением толщины неполярного полимерного покрытия на свойства гофрокартона. Увеличение толщины покрытия не способствует увеличению сопротивления воздействию статических нагрузок. Данное явление объясняется низкими значениями адгезии между гофрокартоном и полипропиленом. Несколько иная картина наблюдается при рассмотрении адгезии между картоном и пленкой из сополимера этилена с винилацетатом, на которую оказывает влияние содержание винилацетата (в испытаниях использовался сополимер с содержанием винилацетата 11-13%): с его присутствием возрастает адгезия полимера к целлюлозной основе. Однако увеличение толщины покрытия оказывает заметное влияние при статических испытаниях материа-лов во влажной среде. Полимерный слой повышает стойкость структуры гофрокартона на действие воды. Нанесение полимерного покрытия заметно улучшает сопротивляемость динамическим нагрузкам. Увеличение толщины покрытия из сополимера этилена с винилацетатом в 9 раз по сравнению с покрытием из полиэтилена служит дополнительным барьером и способствует многократному увеличению сопротивления, нарастающему гидравлическому давлению на образец.
Таблица 1. Эффективность влияния поверхностной обработки гофрированного картона на физико-
механические показатели его качества
Изменение показателей гос )рокартона при его поверхностной обработке полимерами
Наименование ГК+ПЭ гк+пп ГК+СЭВА
показателя ГК+ПЭ + электретирование ГК+ ПП + электретирование ГК+СЭВА + электретирование
Сопротивление +9% +14% +7% +10% +4% +6%
торцевому сжатию Абсолютное сопротив- +9% +14% -1% +5% +41% +16%
ление продавливанию Сопротивление +5% +13% -10% -12% -1% +14%
расслаиванию Влагопрочность при +33% — +30% — +194% —
длительном намокании (торцевое сжатие)
Особый интерес представляют данные по влиянию электретирования комбинированных материалов гофрокартон — полимерная пленка на комплекс показателей их качества.
Обращает на себя внимание довольно значительное увеличение сопротивления торцевому сжатию, расслаиванию, абсолютного сопротивления продавливанию гофрокартона с полимерными покрытиями при переводе материалов в электретное состояние (табл. 1). На жесткость гофрированного картона большое влияние оказывает молекулярная ориентация волокон [8]. В работе [9] показано, что при воздействии электрического поля в диэлектрике происходит ориентация и упорядочивание структурных элементов, повышение степени кристалличности полимера и, как следствие, упрочнение всей структуры материала. Можно предположить, что увеличение жесткости комбинированного материала при электретировании связано как с упорядочиванием мо -лекулярной структуры полимерного покрытия, так и с возможной ориентацией элементов структуры целлюлоз -но-бумажного материала — волокон, проклеивающих веществ, сегментов макромолекул, крахмала.
Влияние электретного эффекта на адгезионную прочность гофрокартона обусловлена усилением двойного электрического слоя, возникающего на границе адгезив — субстрат. Согласно электрической теории адгезии нарушение адгезионной связи совершается против действия электростатических сил [10]. При электретировании образцов гофрокартона с поверхностной обработкой сополимером этилена с винилацетатом происходит поляризация поверхностных полярных элементов (ацетатных групп). Ориентация ди-польных группировок сополимера этилена с винилацетатом приводит к тому, что на границе раздела фаз «картон — крахмал» возникает заряд, соответственно повышается работа, которую необходимо совершить для отделения лайнера от флютинга.
В ходе эксперимента также выяснилось, что при выдержке гофрированного картона в воде в течение 60 с наблюдается ухудшение его механических характеристик в среднем на 40—85%. Межволоконные силы в структуре целлюлозно-бумажного материала во многом определяются наличием водородной связи, возникающей при участии гидроксильных групп, расположенных на поверхности микрофибрилл [11]. Снижение механической прочности картона при его увлажнении связано с тем, что вода способствует увеличению расстояния ме^ду волокнами, вызывает их набухание и приводит к разрыву водородных связей ме^ду ними. Наличие полимерного покрытия ограничивает доступ воды в структуру гофрокартона с одной из сторон, т.е. способствует понижению скорости проникновения воды в материал. При этом введение полимерного покрытия способствует не только упрочнению структуры гофрокартона, но и оказывает существенное влияние на адгезионные свойства его слоев во влажной среде.
При испытании на определение водостойкости клеевого соединения погружением в воду отмечено увеличение показателя на 81% для полиэтиленового и на 135% полипропиленового покрытия. В воде электретное состояние диэлектриков быстро релаксирует [2], поэтому изучение влияния электретного эффекта на водостойкость клеевого соединения и на влагопрочность гофрокартона (табл. 1) было нецелесообразно.
Следующим этапом экспериментальных исследований являлось изучение влияния покрытия из полиэтилена и полипропилена на барьерные свойства гофрированного картона (табл. 2).
Как уже отмечалось выше, введение полимерного слоя в структуру гофрокартона снижает впиты-ваемость материала (табл. 2) за счет того, что расплав полимера затекает в межфибриллярное пространство лайнера, тем самым препятствуя проникновению влаги в структуру лайнера и, соответственно, всего комбинированного материала.
Таким образом, гофрированный картон с поверхностной обработкой термопластичными полимерами имеет улучшенный комплекс физико-механических, адгезионных и барьерных свойств, характеризующих его качество.
Таблица 2. Эффективность влияния поверхностной обработки гофрированного картона на барьерные показатели его качества
Наименование показателя Изменение показателей картона при его поверхностной обработке полимерами
ГК+ПЭ ГК+ПП
Впитываемость при полном погружении -13% -4%
Выводы
1. Экспериментально установлено изменение физико-механических, адгезионных и барьерных свойств гофрированного картона при поверхностной обработке полиолефиновыми пленками.
2. Упрочняющее действие полимерного покрытия в сочетании с электретированием, которое способствует получению ориентированного состояния структурных элементов комбинированного материала (волокон, проклеивающих веществ, крахмала, макромолекул полимерного покрытия), вносит существенный вклад в улучшение механической прочности гофрированного картона и может способствовать увеличению его срока службы.
Список литературы
1, Кирван Марк Дж. Упаковка на основе бумаги и картона, СПб., 2008, 488 с.
2, Лущейкин Г.А. Электретный эффект в полимерах, Достижения в получении и применении электретов // Успехи химии, 1983, Т. 52, вып. 8, С. 1410-1431,
3, Пинчук Л.С., Гольдаде В.А. Элекгретные материалы в машиностроении, Гомель, 1998, 288 с.
4, Галиханов М.Ф., Борисова А.Н., Крыницкая А.Ю. Активная упаковка для хлебобулочных изделий // Хранение и переработкасельхозсырья. 2006, №5, С. 59-63,
5, Галиханов М.Ф., Борисова А.Н., Дебердеев Р.Я. Активный упаковочный материал для яблок // Вестник Казанского технологического университета, 2004, №1-2, С. 163-167,
6, Мусина, Л.Р., Галиханов М.Ф, Практические решения повышения физико-механических и барьерных свойств целлюлозно-бумажного материла с применением полимерного покрытия // Вестник Казанского технологического университета, 2011, №2, С. 86-90,
7, Мусина, Л.Р., Галиханов М.Ф, Условия достижения высоких показателей механической прочности целлюлознобумажных материалов // Вестник Казанского технологического университета, 2011, №5, С. 44-46,
8, Фляте ДМ. Свойства бумаги, М., 1986, 680 с.
9, Вертячих П.М., Воронежцев Ю.И., Гольдаде В.А., Пинчук Л.С. Свойства полимерных электретных материалов, сформированных в контакте с разнородными металлами // Пластические массы, 1986, №3, С. 30-32,
10, Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров, М., 1969, 320 с.
11, Иванов С.Н. Технология бумаги, 3-е изд. М., 2006, 696 с.
Поступило в редакцию 13 мая 2012 г.
Musina L.R. *, Galikhanov M.F. THE APPLICATION OF SURFACE TREATMENT AND ELECTRETING FOR INCREASE OF QUALITY PERFORMANCES OF CORRUGATED CARDBOARD
Kazan State Technological University, st. K. Marksa, 68, Kazan, 420015 (Russia), e-mail: L.musina@yandex.ru
In the article the method of increase of mechanical strength of corrugated cardboard with the help of polyolefin film
material was offered, Strengthening of polymer film was based on arrangement of barrier protection of structure of pulp and
paper material against moisture effect,
The orientation of fibers and strength of bond between them is one of the chief factors, which determine mechanical strength of paper composition, Giving oriented condition to structural elements of combined material is possible with the application of electret process, During the experimental researches the positive influence of electret cardboard with polymeric materials in the corona discharge on the quality performances of packaging material was established,
Keywords: corrugated cardboard, polymers, electreting, barrier properties, mechanical strength,
References
1, Kirvan Mark Dzh, Upakovka na osnove bumagi i kartona, [Packaging based on paper and cardboard], St. Petersburg, 2008, 488 p. (in Russ.)
2, Lushcheikin G.A. Uspekhi khimii, 1983, vol. 52, no, 8, pp. 1410-1431, (in Russ.)
3, Pinchuk L.S., Gol'dade V.A. Elektretnye materialy v mashinostroenii, [Goldade Electret materials in engineering], Gomel', 1998, 288 p. (in Russ.)
4, Galikhanov M.F., Borisova A.N., Krynitskaia A.Iu. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ia, 2006, no, 5, pp. 59-63, (in Russ.)
5, Galikhanov M.F., Borisova A.N., Deberdeev R.Ia. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 2004, no, 1-2, pp. 163-167, (in Russ.)
6, Musina, L.R., Galikhanov M.F. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 2011, no, 2, pp. 86-90, (in Russ.)
7, Musina, L.R., Galikhanov M.F. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 2011, no, 5, pp. 44-46, (in Russ.)
8, Fliate D.M. Svoistva bumagi, [Properties of paper], Moscow, 1986, 680 p. (in Russ.)
9, Vertiachikh I.M., Voronezhtsev Iu.I,, Gol'dade V.A., Pinchuk L.S. Plasticheskie massy, 1986, no, 3, pp. 30-32, (in Russ.)
10, Berlin A.A., Basin V.E. Osnovy adgezii polimerov. [Fundamentals of adhesion of polymers], Moscow, 1969, 320 p. (in Russ.)
11, Ivanov S.N. Tekhnologiia bumagi, [Paper technology], Moscow, 2006, 696 p. (in Russ.)
Received May 13, 2012
* Corresponding autor,
