CC BY
19
ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ
УДК 676.062;678.844
Г. В. Булидорова, А. А. Косарев
ВЛИЯНИЕ ГИДРОФОБИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАРТОНА
Ключевые слова: картон, гидрофобизатор, прочность при растяжении, прочность на излом.
Исследована возможность использования композиций метилсиликоната калия и модифицирующих добавок (латекса и катионного полиэлектролита) для гидрофобизации поверхности картона. Оценена прочность гидрофобизированного картона при растяжении и при многократных перегибах.
Keywords: сardboard, waterproofing agent, tensile strength, tensile fracture.
The possibility of using the potassium methylsiliconate with modifying additives (latex or сationic polyelectrolyte) for сardboard surface waterproofing has been studied. The tensile strength and the tensile fracture of waterproofed cardboard were examined.
Введение
Почти 50% от всей производимой в мире бумаги и картона идет на упаковочные материалы. Бумага и картон, ведущие свою историю из Древнего Египта, возможно, самый древний вид упаковочного материала. Кроме легкости, но в то же время достаточной прочности, относительной дешевизны, способности «дышать», простоты утилизации и повторной переработки, податливости и гибкости, прекрасных печатных свойств, к достоинствам картона следует отнести его биоразлагаемость, а также тот факт, что деревья - основное сырье для его производства - являются возобновляемым природным ресурсом, и из выращивание само по себе улучшает экологию. Поэтому, несмотря на широкое применение пластиковой тары, упаковка на основе бумаги и картона остается самым распространенным и доступным видом и занимает лидирующее положение и по тоннажу, и по объемам продаж [1, 2].
Существует множество сортов картона, различающихся по виду и стоимости: упаковочные, полиграфические, дизайнерские и др. Они производятся из разного сырья, по различным технологиям, с использованием целого спектра специальных добавок, что позволяет варьировать основные характеристики материала.
Нанесением покрытий, ламинированием или пропиткой бумаге и картону придают особые функциональные свойства, такие, как жиро- или влагонепроницаемость, термостойкость, возможность склеиваться при нагреве, способность не прилипать к упакованному продукту. Способ-ность картона впитывать жидкость также часто используют в практических целях: картонная тара, в зависимости от своего предназначения, может быть пропитана репеллентами или фунгицидами, антисептическими средствами, ингибиторами коррозии и др. Все это позволяет расширить диапазон способов применения картона и находить все новые области, где этот материал окажется актуальным и будет востребован [1 - 3].
При выборе сорта картона для тех или иных
целей в первую очередь оценивают воздействия, которым картонное изделие будет подвергаться в ходе его производства и эксплуатации. Часто предъявляются особые требования к внешнему виду материала, и почти всегда - к его эксплуатационным свойствам. Зачастую одни требования противоречат другим, и потому поиск путей изменения физических, химических, механических и барьерных показателей картона и изделий из него весьма актуален [2 - 4].
В работах, проведенных в КНИТУ, была предпринята успешная попытка повысить одно из наиболее востребованных барьерных свойств картона - устойчивость к проникновению влаги и намоканию - при помощи составов, содержащих кремнийорганические гидрофобизаторы и активные модифицирующие добавки [5 - 7].
В работах использовали метод оценки впитываемости воды при полном погружении образца, к преимуществам которого можно отнести то, что он, не требуя сложного оборудования, способен охарактеризовать не только поверхностные, но и объемные свойства материала. Определялись краевой угол сма-чивания поверхности и коэффициент водо-стойкости покрытия.
Были подобраны концентрации
гидрофобизаторов и активных добавок, при которых наблюдается синергизм их действия. Однако, поскольку обработка поверхности могла негативно сказаться на прочностных свойствах материала, требовалось оценить прочность
гидрофобизированного картона при растяжении и перегибах, чему и посвящена настоящая работа.
Экспериментальная часть
Объектом исследования был картон переплетный по ГОСТ 7950-77 первого сорта, марки «А», не проклеенный, из небеленой целлюлозы, без печати, толщиной 2±0,12 мм.
В качестве гидрофобизатора применяли метилсиликонат калия (СН-Б1-ОК)п, где п = 1-2
(ТУ 2229-512-05763441-2007).
В качестве модифицирующих добавок были выбраны:
1. водорастворимый катионный полиэлектролит ВПК-402 по ТУ 2227-28400203312-98 - полимер линейно-циклической структуры, получаемый путём радикальной полимеризации мономера диметилдиаллил-аммоний хлорида, с М = 3105;
2. латекс синтетический бутадиен-стирольный СКС-65 ГПБ - продукт совместной полимеризации бутадиена и стирола в соотно-шении 35/65.
Определение прочности при растяжении проводилось в соответствии с ГОСТ 1924-1-96 на разрывной машине QUASAR 100, производитель Galdabini, Италия. Использовался метод нагружения с постоянной скоростью.
Определение прочности на излом при многократных перегибах проводили по ГОСТ 13525.2-80. Испытывали по 10 образцов, число двойных перегибов отсчитывали по счетчику с точностью до 1. За результат принимали среднее арифметическое 10 испытаний, которое округляли до целых чисел.
Испытания на прочность проводили в продольном направлении волокон картона.
Результаты и обсуждение
Для гидрофобизации картона были выбраны два гидрофобизатора - метилсиликонат калия и полиметилгидросилоксан. При выборе учитывали требования безопасности, неток-сичности, доступности и невысокой стоимости. Толщина гидрофобного слоя составляла 2-4-10-7 м. Было показано, что полиметилгидросилоксан менее эффективен по сравнению с метил-силиконатом калия.
Выяснено, что совместное использование кремнийсодержащих гидрофобизаторов (ГФ) и латекса позволяет снизить рабочие концентрации гидрофобизатора и повысить эластичность покрытия [6]; а предварительная обработка поверхности катионным полиэлектролитом позволяет повысить угол смачивания поверхности и коэффициент водостойкости картона [7].
Образцы с гидрофобизированной поверхностью были подвергнуты испытаниям на прочность. Для эксперимента были отобраны концентрации активных добавок, признанные оптимальными по данным предварительных исследований [6, 7]. Были выбраны составы, характеризовавшиеся максимальным значением коэффициента водостойкости К, и для которых наблюдался синергизм действия гидрофобизатора и модифицирующей добавки.
К = (G0 - G)/ G0*100%, где G - относительное увеличение массы необработанного образца при погружении в воду на 1 час, G - относительное увеличение за то же время массы образца, обе поверхности которого обработаны гидрофобизирующим составом.
Исследования проведены для
концентраций: полиэлектролит 0,6%,
метилсиликонат калия 0,8 %, латекс 2,75%.
Расчетное количество латекса вводилось в раствор гидрофобизатора. Катионный
полиэлектролит наносился отдельным (первым) слоем.
Для определения прочности готовились стандартные образцы методом вырубки. Затем обе стороны подвергались гидрофобизации и высушивались. Использовали три варианта обработки: только гидрофобизатор; гидрофо-бизатор + латекс; гидрофобизатор + полиэлектролит, в сравнении с исходным (необработанным) картоном.
На рис.1 для примера приведены экспериментальные кривые для необработанного образца картона при определении прочности при растяжении.
Рис. 1 - Серия экспериментальных кривых: удлинение образца необработанного картона в зависимости от нагрузки
В ходе экспериментов определялись разрушающее усилие Р, предел прочности при растяжении ст и модуль упругости Е. Обобщенные данные по прочности гидрофобизированного картона при растяжении приведены в табл.1.
Прочность на излом выражается количеством двойных перегибов полоски картона под углом 180, вызывающих ее разрыв. Полученные данные приведены в табл. 2.
Таблица 1 - Обобщенные данные по прочности картона при растяжении
Образец F, Н Е, МПа ст, МПА/мм2 %
Без обработки 2024,7 241,6 20,14
ГФ 4102,0 217,9 18,16 89
ГФ + полиэлектролит 6297,8 336,6 28,05 137
ГФ + латекс 5222,5 285,5 23,79 116
Полученные данные показали, что обработка гидрофобизатором несколько (на 10-20 %) снижает прочностные характеристики картона. Кроме того, было отмечено, что обработанный
картон расслаивался при сгибании и разрезании, а также при погружении в воду.
Таблица 2 - Прочность картона на излом при многократных перегибах
Образец Число двойных перегибов %
Без обработки 330
ГФ 270 82
ГФ + полиэлектролит 560 169
ГФ + латекс 620 188
Особенно негативно обработка
гидрофобизатором сказывалась на прочности на излом, так как поверхностный
гидрофобизированный слой картона после высыхания терял гибкость и эластичность, становился жестким и хрупким.
Обработка композициями гидрофобизатора и модифицирующих добавок (латекса и катионного полиэлектролита), напротив, повышает прочность как на разрыв, так и к многократным перегибаниям (на 40-60 % при предварительной обработке гидрофобизатором, до 90 % при совместном использовании латекса и гидрофобизатора). Следовательно, образуются более эластичные покрытия.
Выводы
Показана возможность гидрофобизации поверхности картона составами на основе кремнийсодержащего гидрофобизатора - метил-силиконата калия, причем совместное использование гидрофобизаторов и латекса позволяет снизить рабочие концентрации гидрофобизатора и повысить эластичность покрытия.
Показано, что совместное использование гидрофобизатора и катионного полиэлектролита не только повышает водостойкость, но и улучшает прочностные характеристики образцов, причем предварительная обработка поверхности катионным полиэлектролитом является оптималь-ным режим нанесения покрытия на поверхность.
Литература
1 Упаковка на основе бумаги и картона. Под ред. М.Дж. Кирвана, Профессия, Санкт-Петербург, 2008, 500 с.
2 С. Стефанов, Бумага и картон. Репроцентр, Москва, 2003, 52 с.
3 Н.В. Листикова Российский Печатник, 9, 44-48, (2005).
4 Э.Л. Аким, Л.Г. Махотина, Технология обработки бумаги и картона. Политехника, Санкт-Петербург, 2005, С. 303-351.
5 Р.А. Гарифуллина, Г.В. Булидорова Вестник Казанского технологического университета, 16, 5, 91-93, (2013).
6 Г.В. Булидорова, Р.А. Гарифуллина Вестник Казанского технологического университета, 16, 7, 64-67, (2013).
7 Г.В. Булидорова, А.А. Косарев Вестник Казанского технологического университета, 17, 7, 33-42 (2014).
© Г. В. Булидорова - к.х.н., доц. каф. ФКХ КНИТУ, gal_d@list.ru; А. А. Косарев - к.т.н., доцент каф. ТТХВ КНИТУ, kosarev_aleks@mail.ru.
© G. V. Bulidorova - Ph.D., docent of department Ph.C.Ch. KNRTU, gal_d@list.ru; А. А. Kosarev - Ph.D, docent of department T.S.Ch.S. KNRTU; kosarev_aleks@mail.ru.
