Практические решения повышения физико-механических и барьерных свойств целлюлозно-бумажного материала с применением полимерного покрытия

Л. Р. Мусина, М. Ф. Галиханов ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И БАРЬЕРНЫХ СВОЙСТВ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОГО МАТЕРИАЛА С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ

Ключевые слова: целлюлозно-бумажный материал, полимерное покрытие.

Представлены результаты изменения физико-механических и барьерных характеристик целлюлозно-бумажного материала при поверхностной обработке расплавом полиэтилена. Проанализировано влияние электретного состояния ламинированного гофрокартона на прочностные показатели качества. Приведены объяснения наблюдаемых закономерностей.

Keywords: the cellulose and paper material, polymer coating.

Here are some results of changes in physical-mechanical and barrier properties of cellulose and paper material for surface treatment of the melting polyethylene. Analyze showed the influence of the electrets state of laminated corrugated board for the strength of quality indicators. There are an explanations the observed patterns.

Производство гофрокартона занимает одно из ведущих мест в целлюлознобумажной промышленности. Гофрокартон привлекает своей относительной дешевизной, легкостью, прочностью, универсальностью, удобством при процессах транспортировки и переработки, что обуславливает широкое его применение в упаковочной области [1]. Основным недостатком гофрированного картона является его низкие барьерные свойства. Высокая гигроскопичность гофрированного картона, приводит к снижению прочностных показателей и, как следствие - к порче упакованной в нем продукции. Это значительно сужает сферу его применения в тех случаях, когда требуется сохранение прочности упаковки в условиях повышенной влажности, а также для любых грузов, перевозимых на дальние расстояния в сложных климатических условиях.

Несмотря на значительный рост выпуска упаковки из гофрокартона, структура ее производства недостаточна прогрессивна. В России практически отсутствует производство упрочненного и влагостойкого гофрокартона. При этом потребность в влагостойком гофрокартоне составляет до 120-130 млн. м2 [1]. Существование скрытого спроса открывает новые возможности для производства принципиально новой упаковки из гофрокартона и замена традиционных (например, полимерных) тароупаковочных средств.

На сегодняшний день как показывает мировой опыт среди способов придания гофрокартону высоких барьерных характеристик можно выделить пропитку парафиновыми композициями, термосклеивающими смолами [2]. Однако они не обеспечивают сохранение прочностных свойств упаковочного материала при повышении относительной влажности до 100%. В литературе встречаются примеры выпуска двухслойного материала полимер - гофрированная бумага, обладающего высокими жиро-и влагостойкостью [3].

Целью данной работы явилось создание ламинированного гофрокартона и изучение влияния полимерного слоя на его свойства. Наличие полимерного слоя дает возможность для перевода гофрокартона в электретное состояние. Это открывает перспективы для создания на основе гофрокартона активной упаковки и ее вспомогательных элементов (поддонов, вкладышей и т.п.). Способность электретных материалов продлевать срок хранения упакованных в них пищевых продуктов показана в ряде работ [4-6].

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования был выбран гофрокартон марки Т 22 С (ГОСТ Р 529012007) и стрейч-пленка из полиэтилена высокого давления (ПЭВД) толщиной 10 мкм. Ламинирование осуществлялось следующим образом. На образцы гофрокартона размерами 50x150, 100* 150, 125x125, 100^25 и 100x100 мм накладывали стрейч-пленку ПЭВД и помещали в термошкаф при 150 °С на 10 минут для возникновения плотного адгезионного соединения полимера с поверхностью картона. Охлаждение ламинированного гофрокартона проводили при комнатной температуре. Часть ламинированных образцов охлаждали в поле отрицательного коронного разряда для перевода их в электретное состояние.

Испытание гофрокартона на сопротивление торцевому сжатию проводилась согласно ГОСТ 20683-97, на сопротивление продавливанию - согласно ГОСТ 13525.8-86, на сопротивление расслаиванию - согласно ГОСТ 22981-78. Определение водостойкости клеевого соединения проводилось погружением в воду (ГОСТ 30758-2001), поверхностной впитываемости -односторонним смачиванием при комнатной температуре в течение 60 с (ГОСТ 12605-97, метод Кобба).

Электретную разность потенциалов иЭРП материалов измеряли компенсационным методом с помощью вибрирующего электрода по ГОСТ 25209-82.

Результаты и их обсуждение

Процесс ламинирования заключается в соединении гофрокартона и полиэтиленовой пленки с помощью нанесения на поверхность целлюлозно-бумажного материала расплава полимера. Видно (табл. 1), что ламинированный гофрокартон по своим физико-

механическим свойствам значительно превосходит обычный трехслойный гофрокартон -ламинация повышает значения сопротивления продавливанию гофрокартона с внешней стороны на 3 % и с внутренней стороны на 15 %. Это можно объяснить следующим образом: логично что, любой материал, в составе которого имеется дополнительный слой, превосходит свой аналог без этого слоя по физико-механическим показателям. Увеличение значений сопротивления гофрокартона на продавливание происходит следующим образом: расплав полимера проникает в межволоконные области целлюлозно-бумажного материала, уменьшая степень свободы фибрилл и волокон, что ведет к повышению жесткости одного из слоев гофрокартона и к возрастанию жесткости гофрокартона в целом.

Это же зависимость должна проявляться и при испытании гофрокартона на сопротивление торцевому сжатию. Действительно проведенное испытание показывает, что ламинированный гофрокартон по этому свойству превышает простой на 9% (табл. 1).

Электретные характеристики ламинированного гофрокартона (начальное значение Иэрп - 500 В, время релаксации - 1 сутки, иЭРП в фазе стабилизации (на 2 сутки и далее) -50 В) позволяют отнести его к электретам. Интересными являются результаты сравнения физико-механических свойств электретного гофрокартона с ламинированным.

Из таблицы 1 видно, что электретное состояние ламинированного гофрокартона повышает значения сопротивления гофрокартона на продавливание на 8 % с внешней стороны и на 1,6 % с внутренней стороны. Причем, если сравнить электретный ламинированный гофрокартон с простым, то это значение более ощутимо: 11 % и 17 %

соответственно. Так же значения сопротивления гофрокартона на торцевое сжатие

увеличивается при электретировании на 4 %. При этом значения сопротивления электретного гофрокартона на торцевое сжатие на 14 % больше, чем у простого гофрокартона.

Таблица 1 - Результаты физико-механических испытаний гофрокартона

Свойства Гофрокартон Ламинированный гофрокартон Электретный ламинированный гофрокартон

Сопротивление продавливанию по внутренней стороне, кгс/см2 7,53 8,68 8,82

Сопротивление продавливанию по внешней стороне, кгс/см2 7,15 7,36 7,96

Сопротивление торцевому сжатию, кН/м 4,06 4,43 4,62

Сопротивление расслаиванию по внутренней стороне, кН/м 0,33 0,35 0,37

Сопротивление расслаиванию по внешней стороне, кН/м 0,30 0,31 0,34

Влагостойкость клеевого соединения, с 216 391 397

Поверхностная впитываемость методом Кобба, г/м2 28,74 3,50 3,62

Это можно объяснить следующим образом. Ранее было показано [7], что полимерные электреты находятся в ориентированном состоянии, и что подтверждается упорядоченным расположением отдельных структурных элементов полимерных диэлектриков. Одним из факторов, влияющих на прочность высокомолекулярных соединений, является молекулярная ориентация. Применимо к нашей системе - это могут быть ориентация макромолекул полиэтилена, которое может приводить к повышению степени кристаллизации полимера. Кроме этого, ориентированное состояние может наблюдаться и у макромолекул целлюлозы, лигнина и крахмала. Это и приводит к незначительному повышению физико-механических свойств ламинированного гофрокартона при электретировании.

Увеличение значений сопротивления расслаиванию ламинированного гофрокартона с внешней стороны на 3 % и с внутренней стороны на 6 %. (т.е. увеличение адгезионной прочности между слоями гофрокартона) можно объяснить следующим образом. Адгезионная прочность измеряется как удельная работа или удельная сила разрушения связи между адгезивом и субстратом. Однако при механическом разрушении адгезионного соединения работа, затрачиваемая на отслаивание двух тел, идет не только на преодоление адгезии, но и на другие побочные процессы (деформация тела, преодоление сил механических зацеплений и т.д.). При ламинировании повышается прочность картона за счет появления полимерного покрытия, что влечет за собой и увеличение работы на отслаивание, т.е. адгезионная прочность соединения слоев гофрокартона возрастает.

Увеличение значений сопротивления расслаиванию ламинированного гофрокартона при электретеровании на 10 % с внешней стороны и на 5,7 % с внутренней стороны можно объяснить с точки зрения электрической теории адгезии. Эта теория постулирует, что все адгезионные явления можно объяснить с позиций переноса электронов через межфазную поверхность, приводящего к возникновению двойного электрического слоя. Наличие двойного электрического слоя затрудняет разрушение адгезионного контакта при динамических нагрузках и обусловливает увеличение работы отслаивания. Электрические явления не только сопутствуют отслаиванию пленок, но и служат важнейшим фактором, определяющим сопротивление пленок отрыву даже в том случае, когда он не чисто адгезионного, а смешанного характера. Обработка коронным разрядом ведет к появлению двойного электрического слоя в месте контакта целлюлозно-бумажного материала с крахмалом без приложения нагрузки отслаивания, что, соответственно, повышает работу, которую необходимо совершить для отделения различных материалов друг от друга. Следует отметить, что сопротивление расслаиванию электретного ламинированного гофрокартона на 13 % с внешней стороны и на 12 % с внутренней стороны больше, чем у простого гофрокартона (табл. 1).

Этими же причинами обусловлено и большая влагостойкость клеевого соединения ламинированного гофрокартона по равнению с обычным гофрокартоном (на 80 %) и электретного материала по сравнению с ламинированным (на 1,5 %) и обычным гофрокартоном (на 84 %). Кроме этого, возрастание влагостойкости клеевого соединения может быть обусловлено снижением гигроскопичности картонно-бумажных материалов, т. е. улучшением барьерных характеристик гофрокартона при ламинировании.

Видно (табл. 1), что наличие полимерного слоя снижает поверхностную

впитываемость материала более, чем на 88 %. Это происходит за счет того, что расплав полимера затекает в пространство между волокнами и фибриллами картона, тем самым, замедляя диффузию молекул воды через поверхность гофрокартона, ламинированного полиэтиленовой пленкой, препятствуя проникновению влаги в структуру материала, и соответственно всего гофрокартона.

Таким образом, ламинирование гофрокартона позволяет существенно улучшить физико-механические и барьерные свойства упаковочного материала. Повышение величин исследуемых характеристик гофрокартона при поверхностной обработке расплавом полиэтилена являются гарантом достижения высоких эксплуатационных качеств гофропродукции.

Оптимизация свойств упаковки в соответствии с требованиями рынка может стать перспективнейшим направлением сбыта и расширением областей применения гофрированного картона. Использование имеющегося оборудования при совершенствовании технологического процесса открывает большие возможности как для

производства нового перспективного упаковочного материала для разнообразных продуктов, так и для инновационного развития любого предприятия, занимающегося производством гофрокартона и тары на его основе.

Литература

1. Данилевский, В. Упрочненный гофрированный картон. / В.Данилевский // Тара и упаковка.- 2005. - № 5. - С. 42-43.

2. Ефремов, Н.Ф. Упаковка из гофрокартона. / Н.Ф.Ефремов, А.И. Васильев, Г.К. Хмелевский. -М.: МГУП, 2004. - 394 с.

3. Бутауд, М. Новшество для сыра. / М. Бутуад // Картон и гофрокартон. - 2005. - № 2 (16). - С. 18-19.

4. Галиханов, М.Ф. Активный упаковочный материал для яблок. / М.Ф. Галиханов, А.Н. Борисова, Р.Я. Дебердеев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2004. - № 1-2. - С. 163-167.

5. Галиханов, М.Ф. Активная упаковка для хлебобулочных изделий. / М.Ф. Галиханов, А.Н. Борисова, А.Ю. Крыницкая // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2006. - № 5. - С. 59-63.

6. Галиханов, М.Ф. Бактериостатическая упаковка для мясных продуктов. / М.Ф. Галиханов, А.Н. Борисова, Р.Я. Дебердеев // Пищевая промышленность. - 2006. - № 12. - С. 42-43.

7. Вертячих, И.М. Свойства полимерных электретных материалов, сформированных в контакте с разнородными металлами. / И.М. Вертячих, Ю.И. Воронежцев, В.А. Гольдаде, Л.С. Пинчук // Пласт. массы. - 1986. - № 3. - С. 30-32.

© Л. Р. Мусина - асп. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КГТУ; М. Ф. Галиханов - д-р техн. наук, проф. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КГТУ, mgalikhanov@yandex.ru.