CC BY
10
УДК 676.274:678.5
А. И. Назмиева, М. Ф. Галиханов, Л. Р. Мусина, А. Р. Нафикова, Г. Ф. Альметова
ВЛИЯНИЕ ПШЕНИЧНОГО НАТИВНОГО КРАХМАЛА
И ДЕЙСТВИЯ КОРОННОГО РАЗРЯДА НА СВОЙСТВА МЕШОЧНОЙ БУМАГИ
Ключевые слова: целлюлозно-бумажный материал, крахмал, поверхностная обработка, униполярный коронный разряд.
В работе рассмотрены барьерные свойства целлюлозно-бумажных материалов. Исследовано влияние поверхностной обработки пшеничным крахмалом и униполярным коронным разрядом на впитываемость при полном погружении, а также на капиллярную и поверхностную впитываемость мешочной бумаги марки М-70.
Keywords: pulp and paper materials, starch, surface treatment, unipolar corona discharge.
Barrier properties of the pulp and paper materials were studied. The influence of surface starch treatment and unipolar corona discharge on the drop, full submersion and capillary rise absorption of sack paper were investigated.
Введение
В условиях современного производства, от удачно выбранного внешнего вида и качества упаковки во многом зависит успех товара на рынке. А, возрастание спроса диктует новые требования к функциям упаковки. При этом определяющее значение при выборе упаковки имеют защитные свойства упаковки, ее взаимодействие с упаковываемым товаром и окружающей средой.
Одними из самых распространенных упаковочных материалов на сегодняшний день являются целлюлозно-бумажные материалы, среди которых, особое распространение имеет мешочная бумага [1], используемая для изготовления многослойных мешков. Однако она имеет существенные недостатки: низкие барьерные свойства для газов, паров, высокая гигроскопичность и намокаемость. Наиболее перспективным способом повышения эксплуатационных свойств целлюлозно-бумажных материалов является их поверхностная обработка, которая способствует: увеличению прочности, предотвращению выщипыванию волокон с поверхности при печатании, устранению пыления, снижению деформации и скручиваемости [1]. Для поверхностной обработки часто используют крахмал [2, 3].
В то же время, встречаются работы, изучающие влияние физических полей различной природы на те или иные свойства целлюлозно-бумажных материалов [3-7], в том числе - униполярного коронного разряда [3, 6-7].
Целью данной работы является исследование влияния поверхностной обработки крахмальным покрытием и униполярным коронным разрядом на свойства мешочной бумаги.
Экспериментальная часть
В качестве объекта исследования были выбраны мешочная бумага марки М-70 (ГОСТ 2228-81) плотностью 70 г/м2, толщиной 0,11 мм, пшеничный нативный крахмал (ТУ 9187-083-00334735-2002), дистиллированная вода (ГОСТ 6907-72)
Для нанесения покрытия на поверхность целлюлозно-бумажных материалов были приготовлены образцы бумаги размерами 100 х 100 мм. Крахмаль-
ный клейстер готовился на водяной бане при температуре 95 °С в соотношении крахмал: во-да:глицерин = 4,75:10:0,16 (г) при постоянном перемешивании до образования однородной массы. Нанесение покрытия на поверхность бумаги осуществлялось с помощью кисти. Охлаждение материалов с поверхностной обработкой проводили при комнатной температуре. После охлаждения измерялась толщина нанесенного покрытия с помощью микрометра МК 0-25 по ГОСТ 6507-78.
Часть образцов с покрытием подвергалось элек-третированию в отрицательном коронном разряде -готовые образцы помещали в коронирующую ячейку с электродом, состоящим из 196 заостренных игл, равномерно расположенных на площади 49 см2 в виде квадрата при подаваемом напряжении 30 кВ в течение 1 минуты.. Измерение потенциала поверхности Уэ, напряженности электрического поля Е и эффективной поверхностной плотности заряда стэф бумаги осуществляли компенсационным методом (экранирование приемного электрода) на приборе ИПЭП-1 через час после действия униполярного коронного разряда.
Определение поверхностной впитываемости капельным способом проводили по ГОСТ 12603 - 67, определение впитываемости при полном погружении - по ГОСТ 13648.5-78, определение капиллярной впитываемости - по ГОСТ 12602-93.
Результаты и их обсуждение
Сначала была изучена возможность электрети-рования мешочной бумаги действием униполярного коронного разряда. Исследования показали, что исходная бумага практически не электретируется в поле отрицательного коронного разряда, начальные значения Уэ, Е, аэф крайне малы. Нанесение крахмального покрытия существенно не изменяет способность мешочной бумаги к электретированию (табл. 1).
Плохая электретируемость целлюлозы и крахмала, как полярных диэлектриков в коронном разряде, предсказуем [7-9]. Надо учитывать, что поляризация в коронном разряде протекает, в том числе, за счет инжекции носителей зарядов различного типа (например, электронов, ионов), и фиксации их на энер-
гетических ловушках. Тогда, в ходе релаксации заряда (деполяризации электрета) происходит диффузия носителей заряда к поверхности диэлектрика (процесс перезахвата) и его высвобождение из объема полимера. Скорость этого процесса определяется величиной удельной объемной электрической проводимости материала, которая у полярных материалов на порядок выше, чем у неполярных.
Таблица 1 - Электретные характеристики бумажно-целлюлозных материалов с крахмальным покрытием и без него сразу после действия отрицательного коронного разряда
Электретные свойства М-70 М-70 с поверхностной обработкой пшеничным крахмалом
Vэ, В 220 230
E, кВ/м 14,1 20,8
стэф, мкКл/м2 0,13 0,13
Низкие значения электретных характеристик можно объяснить и наличием сквозных пор (межволоконного пространства) бумаги, позволяющих носителям заряда достигать нижнего электрода в процессе электретирования, не попадая в объем целлюлозных волокон, «облетая» их.
На следующем этапе была изучена впитывае-мость при полном погружении мешочной бумаги (рис. 1).
Впиты в а емостъ при полном погружении, %
99 1иэ
74 Й4
12 3 4
обработка бумаги в электрическом поле уменьшает впитываемость на 20%. Результаты исследования поверхностной впитываемости капельным способом представлены на рис. 2.
Поверхностная впитываемость капельным способом, с
12 3 4
Рис. 2 - Поверхностная впитываемость капельным способом: 1 - М-70; 2 - М-70 после действия коронного разряда; 3 - М-70 с крахмальным покрытием; 4 - М-70 с крахмальным покрытием после действия коронного разряда
Поверхностная впитываемость при использовании пшеничного нативного крахмала увеличилась на 32%. При обработке в поле коронного разряда поверхностная впитываемость мешочной бумаги уменьшилась на 22%, но при использовании крахмальных покрытий увеличилась на 40%.
При нанесении капли воды на поверхность оказывает влияние рельеф поверхности. Образованные крахмальным покрытием на поверхности бумаги впадины и выпуклости способствуют ускоренному и неравномерному растеканию воды по поверхности материала.
Результаты капиллярной впитываемости мешочной бумаги и бумаги с поверхностной обработкой крахмальными покрытиями в машинном и в поперечном направлении представлены на рисунках 3 - 4.
Рис. 1 - Впитываемость при полном погружении целлюлозно-бумажных материалов: 1 - М-70; 2 -М-70 после действия коронного разряда; 3 - М-70 с крахмальным покрытием; 4 - М-70 с крахмальным покрытием после действия коронного разряда
Как видно из рисунка 1, при использовании на-тивного пшеничного крахмала впитываемость при полном погружении мешочной бумаги М-70 уменьшилось на 25%. Покрытие поверхности бумаги крахмалом должно приводить к уменьшению ее впитывающей способности по отношению к воде за счет образования сплошной поверхностной пленки, как и наблюдается при нанесении пшеничного на-тивного крахмала.
При обработке мешочной бумаги в поле коронного разряда впитываемость при полном погружении изменяется незначительно. Использование пшеничного нативного крахмала в качестве покрытия и
Каппиллярная впитываемость в
машинном направлении, см
0,8 /
0,6 У 0,18 0,38
0,4 У 0,22
0,2 У 003 0,01*1 0,21 0,22
Рис. 3 - Капиллярная впитываемость в машинном направлении: 1 - М-70; 2 - М-70 после действия коронного разряда; 3 - М-70 с крахмальным покрытием; 4 - М-70 с крахмальным покрытием после действия коронного разряда
Рис. 4 - Капиллярная впитываемость в поперечном направлении: 1 - М-70; 2 - М-70 после действия коронного разряда; 3 - М-70 с крахмальным покрытием; 4 - М-70 с крахмальным покрытием после действия коронного разряда
Капиллярная впитываемость при использовании нативного пшеничного крахмала в машинном направлении и поперечном направлении увеличилась в 6 и 5 раз, соответственно. Обработка в поле коронного разряда влияет на капиллярную впитывае-мость незначительно.
Увеличение капиллярной впитываемости для образцов обработанных крахмальных покрытием можно объяснить преобладанием межволоконного характера поднятия жидкости по образцу бумаги. Данный факт объясняется наличием с одной поверхностной стороны образцов крахмальной пленки, которая способствует защите структуры волокон от проникновения в них влаги. Движение жидкости для данных образцов идет по смешенному механизму с одной стороны образца происходит обычное смачивание, а с другой стороны «отталкивание» жидкости, при этом уменьшается площадь смачивания, соответственно скорость движения жидкости возрастает. Крахмал является природным материалом и поэтому при воздействии на него униполярного коронного разряда, происходит разрушение структуры материала, что приводит к незначительному увеличению впитываемости материала.
Заключение
Таким образом, на основании проведенных исследований можно увидеть улучшение барьерных
© А. И. Назмиева, аспирант, каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, nazmievaalsu@yandex.ru; М. Ф. Галиханов, д-р техн. наук, проф. той же кафедры, mgalikhanov@yandex.ru; Л. Р. Мусина -канд. техн. наук, доцент той же кафедры, L.musina@yandex.ru; А. Р. Нафикова - студ. гр. 5221-4 той же кафедры, nafikova9494@mail.ru; Г. Ф. Альметова - студ. гр. 525-М3 той же кафедры, almetova777@mail.ru.
(гигроскопических) свойств материала. Наблюдается уменьшение впитываемости при полном погружении, так же изменение поверхностной впитывае-мости, что позволяет расширить область применения мешочной бумаги.
Литература
1. Фляте Д. М. Свойства бумаги. Издание 3-е - М.: Лесн. пром-сть, 1986. - 680с.
2. Кларк Дж. Технология целлюлозы (наука о целлюлозно массе и бумаге, подготовка массы, переработка ее на бумагу, методы испытаний): Пер. с англ. А. В. Оболенской и Г. А. Пазухиной. - М.: Лесная пром-сть, 1983. -456 с.
3. Назмиева А.И., Галиханов М.Ф., Гайнанова Г.А. Влияние электретного состояния на впитываемость при полном погружении целлюлозно-бумажных материалов. // Вестник технологического университета. - 2015. - Т. 18.
- № 1. - С. 153-155.
4. Ажаронок В.В., Филатова И.И., Вощула И.В., Длугуно-вич В.А., Царюк О.В., Горжанова Т.Н. Изменение оптических свойств бумаги под влиянием магнитной составляющей высокочастотного электромагнитного поля // Журнал прикладной спектроскопии. - 2007. - Т. 74, № 4.
- С. 421-426.
5.Вураско А.В., Фролова Е. И., Стоянов О. В. Повышение сорбционных свойств технической целлюлозы из недревесного растительного сырья // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т.17, № 1. - C. 41-43.
6.ПерепелкинаА.А., ГалихановМ.Ф. Влияние термической обработки и электрофизического воздействия на сопротивление продавливанию целлюлозно-бумажного материала // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т.16, № 7. - С. 113-114.
7.Мусина Л.Р. Применение электретирования как способа упрочнения комбинированного гофрированного картона // Вестник Казанского технологического университета. -2014. - Т. 17, № 10. - C. 45-47.
8.Галиханов М.Ф., Бударина Л.А. Короноэлектреты на основе полиэтилена и сополимеров этилена с винилаце-татом // Пластические массы. - 2002. - № 1. - С. 40-42.
9. Electrets /Ed. Sessler G. - Berlin: Springer, 1987. - 453 p.
© A. I Nazmieva, Ph.D. student, Department of processing technology of polymers and composite materials of Kazan national research technological university, nazmievaalsu@yandex.ru; M. F. Galikhanov, professor, Dr. Tech. Sci., professor of the Department of processing technology of polymers and composite materials of Kazan national research technological university, mgalikhanov@yandex.ru; L. R. Musina, Candidate of Tech. Sciences, associate professor of polymers and composite materials of Kazan national research technological university, L.musina@yandex.ru; A. R. Nafikova, student of group 5221-4, faculties of plastics and Composite Materials Technology, Processing and Certification of Kazan national research technological university, nafikova9494@mail.ru; G. F. Almetova, student of group 525-M3, faculties of plastics and Composite Materials Technology, Processing and Certification of Kazan national research technological university, almetova777@mail.ru.
