Влияние поверхностной обработки мешочной бумаги полилактидным покрытием и коронным разрядом на ее барьерные свойства

УДК 676.274:678.5

Г. А. Гайнанова, М. Ф. Галиханов, Л. Р. Мусина, А. И. Назмиева, В. В. Тюрикова

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ МЕШОЧНОЙ БУМАГИ ПОЛИЛАКТИДНЫМ ПОКРЫТИЕМ И КОРОННЫМ РАЗРЯДОМ НА ЕЕ БАРЬЕРНЫЕ СВОЙСТВА

Ключевые слова: целлюлозно-бумажный материал, полилактид, поверхностная обработка, униполярный коронный разряд.

Исследовано влияние поверхностной обработки полилактидом и униполярного коронного разряда на барьерные свойства мешочной бумаги. Установлено, что нанесение полилактидного покрытия на мешочную бумагу приводит к существенному снижению ее пористости из-за образования на поверхности бумажного материала полимерной пленки, затекания макромолекул полимера в пустоты между целлюлозными волокнами, а также «закупоривание» их микропор. Это ведет к уменьшению воздухопроницаемости и поверхностной впитываемости мешочной бумаги. Обработка целлюлозно-бумажных материалов в поле униполярного коронного разряда значительно снижает поверхностную впитываемость из-за увеличения поверхностного натяжения на границе раздела фаз «бумага - вода».

Keywords: pulp and paper materials, polylactic acid, surface treatment, unipolar corona discharge.

The influence of the surface treatment of the pouch paper with the polylactide and the unipolar corona discharge on the barrier properties is investigated. It is found that the applying of the polylactide coating on the pouch paper is results to significantly reduces its porosity due to the formation on the surface of the paper material of the polymer film, the flowing of the polymer macromolecules in the voids between the cellulose fibers, and "clogging" of micropores. This leads to the reduction of the airtightness and the surface absorption of the pouch paper. The treatment of the pulp and paper materials in the field of the unipolar corona discharge significantly reduces the surface absorption due to increase of the surface tension at the prase boundary "paper - water".

Введение

Нанесение на целлюлозно-бумажные материалы (ЦБМ) полимерных покрытий, поверхностная обработка клеевыми, парафиновыми композициями, битумирование, физическая и химическая модификации способны существенно повысить их качество, расширить возможности использования, найти новые сферы применения [1-11]. Показано, в частности улучшение барьерных свойств бумаги и картона по отношению к воде (влаге) при их ламинировании полиэтиленом [6] и полипропиленом [5], покрытии крахмалом [11], а также при обработке в поле униполярного коронного разряда [8, 10, 11]. В то же время, поверхностная обработка целлюлозно-бумажных материалов приводит к изменению их структурных параметров, влияющих, например, на воздухопроницаемость.

В связи с вышесказанным, целью настоящей работы было изучение влияния поверхностной обработки бумаги полимерным покрытием и коронным разрядом на ее барьерные свойства.

Экспериментальная часть

В качестве объекта исследования были выбраны мешочная бумага марки М-78 (ГОСТ 2228) плотностью 78 г/м2, толщиной 0,13 мм, биоразлагаемый полимер - полилактид (ПЛА, производитель Sigma Aldrich), плотностью 1,23 г/см3 и температурой плавления 150-155 °С и химический растворитель хлороформ (ГОСТ ТУ 20015-88).

Получение бумаги с полилактидным покрытием осуществлялось ракельным способом из 3 %-ного раствора полилактида в хлороформе. После

испарения растворителя из ерялась тол ина нанесенного покрытия с помощью микрометра МК 0-25 по ГОСТ 6507-78.

Часть образцов мешочной бумаги и бумаги с полимерным покрытием подвергалось

электретированию в униполярном (отрицательном) коронном разряде. Для этого использовалась коронирующая ячейка с верхним электродом в виде 196 заостренных игл, равномерно расположенных на площади 49 см2 в виде квадрата, на который подавалось напряжение 30 кВ в течение 30 с, и нижним заземленным электродом.

Измерение потенциала поверхности Уэ, напряженности электрического поля Е и эффективной поверхностной плотности заряда аэф бумаги осуществляли компенсационным методом (экранирование приемного электрода) на приборе ИПЭП-1 через час после действия коронного разряда.

Пористость (шероховатость) W и воздухопроницаемость определялась методом Бендтсена (ГОСТ Р ISO 8791/2) на приборе P62420. Для определения шероховатости (как скорости, с которой воздух проходит между плоским кольцом измерительной головки и листом бумаги при определенном давлении в заданных кондиционных условиях и выраженной в мл/мин) применяли кольцо диаметром 100 мм и шириной 0,15 мм. Давление кольца на образец - 100 кПа, при давлении воздуха - 1,47 кПа. Влияние воздухопроницаемости бумажного образца на величину шероховатости было сведено к минимуму с помощью матового стекла, установленного под образцом.

Воздухопроницаемость по методу Бендтсена определялась как средняя величина воздушного

потока, который проходит сквозь бумажный образец, который зажат между металлическим кольцом и резиновой прокладкой.

Поверхностную впитываемость бумаги определяли капельным способом по ГОСТ 1260367, согласно которому на образцы наносились 10 капель воды, объемом 0,01 мл. За результат измерения принимали время, за которое капли воды прекращали бликовать на поверхности бумаги (вода полностью впитывалась материалом).

Результаты и их обсуждение

В настоящее время полилактид позиционируется как один из наиболее перспективных биоразлагаемых полимерных материалов, производящийся из возобновляемого растительного сырья и разлагающийся в компосте за один месяц [12]. Применение полилактида для модификации целлюлозно-бумажных материалов более предпочтительно, чем полиэтилена, полипропилена, поливинилиденхлорида и других синтетических полимеров, т.к. при этом не теряется одно из главных их достоинств - экологичность, безопасность для окружающей среды при их утилизации.

Исследования показали, что наличие полилактидного покрытия существенно изменяет структурные и барьерные характеристики мешочной бумаги (рис. 1-3).

Рис. 1 - Пористость целлюлозно-бумажных материалов: 1 - М-78; 2 - М-78 с ПЛА; 3 - М-78 с обработкой в поле коронного разряда; 4 - М-78 с ПЛА с обработкой в поле коронного разряда

Пористость бумаги непосредственно влияет на ее впитывающую способность и служит характеристикой структуры бумаги. Бумага, являясь пористо-капиллярным материалом, имеет макропоры (межволоконное пространство) и микропоры (внутриволоконные капилляры, полости между частичками наполнителя или между ними и стенками целлюлозных волокон бумаг) [1]. При нанесении полилактидного покрытия на бумагу происходит не только образование полимерной пленки толщиной 1,5 - 2 мкм на поверхности бумажного материала, но и затекание макромолекул полимера в пустоты между волокнами ЦБМ, а также

«закупоривание» микропор. Это ведет к существенному (в ~2,5 раза) снижению пористости мешочной бумаги (рис. 1, образец 2).

Значения воздухопроницаемости целлюлозно-бумажных материалов обратно пропорциональны их пористости. Это прослеживается и при измерении этой характеристики мешочной бумаги (рис. 2, образец 2). Наблюдаемое вполне логично, т.к. чем меньше сквозных пор, тем воздух медленнее проходит через поры бумаги.

Уменьшение поверхностной впитываемости мешочной бумаги при покрытии полилактидом (рис. 3, образец 2) также вполне ожидаемо - образование полимерной пленки на поверхности материала создает препятствие распространению жидкости в толщу бумаги.

Воздухопроницаемость, с 81

80

80,3

60

40

20

Г

7

1

Рис. 2 - Воздухопроницаемость целлюлозно-бумажных материалов: 1 - М-78; 2 - М-78 с ПЛА;

3 - М-78 с обработкой в поле коронного разряда;

4 - М-78 с ПЛА с обработкой в поле коронного разряда

По еерхн остная впитываемость, с

4000 3000 2000 1000

3540

3890

3930

1 1 1

>341

1

Рис. 3 - Поверхностная впитываемость, определенная капельным способом: 1 - М-78; 2 -М-78 с ПЛА; 3 - М-78 с обработкой в поле коронного разряда; 4 - М-78 с ПЛА с обработкой в поле коронного разряда

Ранее было показано изменение ряда свойств ЦБМ при их обработке в поле коронного разряда [8, 10, 11]. Это связывали, во-первых, с ориентацией сегментов макромолекул целлюлозы, лигнина и крахмала, протекающей при воздействии

постоянного электрического поля. Во-вторых, упрочнение всей структуры материала обусловлено возникновением или усилением связей между свободными поверхностными гидроксильными группами целлюлозных волокон за счет искусственного возрастания потенциала двойного электрического слоя на поверхности волокон под действием коронного разряда [8].

Проведенные исследования показали незначительное изменение пористости мешочной бумаги при действии униполярного коронного разряда (рис. 1, образец 3). Скорее всего это связано с травлением поверхности волокон, неизбежно протекающим при обработке материалов в коронном разряде [13]. При этом воздухопроницаемость бумаги практически не изменяется (рис. 2, образец 3).

Зато, под действием униполярного коронного разряда существенно (в ~2,5 раза) снижается значение поверхностной впитываемости бумаги (рис. 3, образец 3). Уменьшение впитываемости ЦБМ при полном погружении после действия коронного разряда наблюдали и ранее [11]. Это объяснялось возникновением в бумаге электретного состояния. При этом движение молекул жидкости затрудняется увеличением поверхностного натяжения на границе твердой (бумага) и жидкой (вода) фаз вследствие скачка электрического потенциала на этой границе.

Измерение электретных характеристик мешочной бумаги показало, что значения ее потенциала поверхности, напряженности электрического поля и эффективной поверхностной плотности заряда низки (табл. 1) и не стабильны во времени. Однако даже такого уровня электретных характеристик бумаги достаточно для оказания влияния на ее барьерные свойства.

Таблица 1 - Электретные характеристики мешочной бумаги и бумаги с полилактидным покрытием через час после обработки в поле униполярного коронного разряда

Электретные свойства М-78 М-78 с ПЛА

V, в 2 41

E, кВ/м 0,4 1,8

сэф, мкКл/м2 0,003 0,013

Обработка в униполярном коронном разряде бумаги с полилактидным покрытием также не приводит к созданию материала с высокими и стабильными электретными свойствами (табл. 1). Это связано с низкой электретируемостью в коронном разряде полилактида, как полярного полимера [14-16]. Но и в этом случае, даже невысокий уровень электретных свойств обеспечивает уменьшение значения впитываемости мешочной бумаги с полилактидным покрытием на ~11 % (рис. 3, образец 4).

Выводы

Таким образом, нанесение полилактидного покрытия на мешочную бумагу приводит к существенному снижению ее пористости из-за образования на поверхности бумажного материала полимерной пленки, затекания макромолекул полимера в пустоты между волокнами ЦБМ, а также «закупоривание» микропор целлюлозных волокон. Это ведет к уменьшению воздухопроницаемости и поверхностной впитываемости мешочной бумаги.

Обработка целлюлозно-бумажных материалов в поле униполярного коронного разряда практически не изменяет его пористость и

воздухопроницаемость, но значительно снижает поверхностную впитываемость из-за увеличения поверхностного натяжения на границе раздела фаз «бумага - вода».

Литература

1. Фляте Д. М. Свойства бумаги. Издание 3-е - М.: Лесн. пром-сть, 1986. - 680с.

2. Ковернинский И.Н. Упрочнение целлюлозно-бумажных материалов поверхностной обработкой модифицированными карбамидными олигомерами: дис. ... д-ра техн. наук. - М., 1992. - 328 с.

3. Азаров В.И., Кононов Г.Н., Дроздова В.С. Исследование свойств бумаги с поверхностной обработкой. // Вестник Московского государственного университета леса -Лесной вестник. - 2007. - № 4. - С. 117-119.

4. Ажаронок В.В., Филатова И.И., Вощула И.В., Длугунович 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. Мусина Л.Р., Галиханов М.Ф. Условия достижения высоких показателей механической прочности целлюлозно-бумажных материалов // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 5. - С. 44-46.

6. Галиханов М.Ф., Мусина Л.Р. Изменение показателей физико-механических свойств гофрокартона при его покрытии полиэтиленом // Известия вузов. Лесной журнал. - 2012. - № 5. - С. 143-148.

7. Гарифуллина Р.А., Булидорова Г.В. Кинетика капиллярного впитывания воды картоном с гидрофобизированной поверхностью // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. -Т.16, №5. - С. 91-93.

8. Перепелкина А.А., Галиханов М.Ф., Мусина Л.Р. Влияние термической обработки и электрофизического воздействия на сопротивление продавливанию целлюлозно-бумажного материала // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. -Т.16, № 7. - С. 113-114.

9. 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.

10. Мусина Л. Р. Применение электретирования как способа упрочнения комбинированного гофрированного картона // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17, № 10. - C. 45-47.

11. 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.

12. Фомин В.А., Гузеев В.В. Биоразлагаемые полимеры, состояние и перспективы использования // Пластические массы. - 2001. - № 2. - С. 42-46.

13. Заиков Г.Е., Разумовский С.Д., Кочнев А.М., Стоянов О.В., Шкодич В.Ф., Наумов С.В. Деструкция как метод модификации полимерных изделий // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - Т. 15, № 6. - С. 55-66.

14. Муслимова А.А., Виранева А. П., Иовчева Т.А., Галиханов М.Ф. Изучение электретных свойств

короноэлектретов на основе полилактида // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - Т. 15, № 10. С. - 128-130.

15. Urbaniak-Domagala W. Electrical properties of polylactides. // Journal of Electrostatics. - 2013. - V. 71, Issue 3. - P. 456-461.

16. Guzhova A., Yovcheva T., Viraneva A. Study of polylactic acid corona electrets. // Bulgarian Chemical Communications. - 2015. - Vol. 47, Special Issue B. - P. 115-120.

© Г. А. Гайнанова - студентка группы 5221-71, факультет технологии, переработки и сертификации полимеров и композитов КНИТУ, e-mail: gaynanovaguzel@mail.ru; М. Ф. Галиханов, д-р техн. наук, профессор, кафедра технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, e-mail: mgalikhanov@yandex.ru; Л. Р. Мусина - канд. техн. наук, доцент кафедры технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, e-mail: l.musina@yandex.ru; А. И. Назмиева, аспирант, кафедра технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, e-mail: nazmievaalsu@yandex.ru; В. В. Тюрикова - аспирант кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, e-mail: v.tyurikova@narfu.ru.

© G. A. Gaynanova, student of group 5221-71, faculties of plastics and Composite Materials Technology, Processing and Certification of Kazan national research technological university, e-mail: gaynanovaguzel@mail.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, e-mail: mgalikhanov@yandex.ru; L. R. Musina, Candidate of Tech. Sciences, associate professor of polymers and composite materials of Kazan national research technological university, e-mail: l.musina@yandex.ru; A. 1 Nazmieva, Ph.D. student, Department of processing technology of polymers and composite materials of Kazan national research technological university, e-mail: nazmievaalsu@yandex.ru; V. V. Tyurikova - postgraduate student of the department of technology of pulp and paper production, the Northern (Arctic) Federal University named after MV Lomonosov, e-mail: v.tyurikova@narfu.ru.