Использование поверхностной обработки крахмальным клеем и электретирования для улучшения качества целлюлозно-бумажных материалов

УДК 676.274:678.5

А. И. Назмиева, Л. Р.Мусина

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ КРАХМАЛЬНЫМ КЛЕЕМ И ЭЛЕКТРЕТИРОВАНИЯ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ

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

Исследовано влияние поверхностной обработки крахмальным клеем и униполярным коронным разрядом на свойства целлюлозно-бумажных материалов.

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

The influence of surface starch treatment and unipolar corona discharge on the properties ofpulp and paper materials was studied.

Введение

Целлюлозно-бумажные материалы имеют большое народно-хозяйственное значение и объемы их производства непрерывно увеличиваются. Среди них, в упаковочной промышленности для изготовления многослойных мешков, выделяется мешочная бумага. Однако ее использование ограничивается высокой гигроскопичностью, что оказывает негативное влияние на целый комплекс свойств материала [1].

Для повышения качества бумаги, расширения возможности ее использования в производстве применяют многие методы, например, нанесение полимерных покрытий, склеивание с алюминиевой фольгой, поверхностная обработка клеевыми, парафиновыми композициями, битумирование и др. [2].

Одним из перспективных направлений в современной физике и материаловедении является модифицирование свойств диэлектриков с помощью воздействия электростатического поля, например, поля коронного разряда. Электретным эффектом называется способность диэлектриков накапливать и длительно сохранять электрические заряды [3, 4]. Особый интерес представляют исследования свойств целлюлозно-бумажных материалов с сочетанием методов поверхностной обработки и воздействия поля коронного разряда.

Таким образом, целью настоящей работы явилось исследование изменения свойств мешочной бумаги при поверхностной обработке крахмальным клеем и действии униполярного коронного разряда.

Экспериментальная часть

В качестве объекта исследования были выбраны мешочная бумага марки М-70 (ГОСТ 2228-81) плотностью 70 г/м2, толщиной 0,11 мм, экструзионный кукурузный крахмал (ТУ 9187-069-00334735-00) и дистиллированная вода (ГОСТ 6907-72).

Для нанесения покрытия на поверхность целлюлозно-бумажных материалов были приготовлены образцы размерами 100 х 100 мм. Крахмальный клейстер готовился на водяной бане при температуре 95°С в соотношении крахмал : вода : 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 согласно ГОСТ 6507-78.

Часть образцов с покрытием подвергалось электретированию в отрицательном коронном разряде. Обработка материалов коронным разрядом осуществлялось следующим образом. 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 электрического потенциала поверхности Vэ, 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 униполярного коронного разряда.

Испытание на определение поверхностной впитываемости капельным способом проводили по ГОСТ 12603 - 67.

Результаты и их обсуждение

На первом этапе работы была изучена возможность электретирования мешочной бумаги действием униполярного коронного разряда. Исследования показали, что исходная бумага практически не элек-третируется в поле отрицательного коронного разряда. Нанесение крахмального покрытия существенно не изменяет способность целлюлозно-бумажного материала к электретированию (табл. 1).

Таблица 1 - Электретные характеристики мешочной бумаги

Электретные характеристики Исследуемые образцы

М-70 М-70 с поверхностной обработкой крахмальным клеем

V3, В 38 30

E, кВ/м 0,6 0,9

ст3ф, мкКл/м2 0,004 0,006

Быстрый спад заряда электретов на основе целлюлозы и крахмала, как полярных диэлектриков предсказуем [5, 6]. Надо учитывать, что поляризация в коронном разряде протекает, в том числе, за счет инжекции носителей зарядов различного типа (например, электронов, ионов) в полимерных диэлектриках, и фиксации их на поверхностных и объемных энергетических 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 и более выше, чем у неполярных.

Вторым этапом работы являлось определение поверхностной впитываемости целлюлозно-бумажных материалов капельным способом (рис. 1).

Поверхностная впитываемость капельным способом, с

Рис. 1 - Поверхностная впитываемость 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

Из рисунка 1 видно, что обработка мешочной бумаги крахмалом приводит к увеличению поверхностной впитываемости материала на 16%. Данное явление объясняется содержанием в составе крахмала двух полисахаридов — амилозы и амилопек-тина. Обычно в холодной воде крахмал не растворяется, однако его термические модификации при процессах приготовления клейстера приводит к снижению температуры, при которой крахмал может растворяться в воде. При контакте крахмального покрытия с водой происходит ослабление межмолекулярных связей крахмала, молекулы воды проникают между мицеллами в толщу покрытия, достигая поверхности бумажного материала, и тем

самым происходит увеличение смачиваемости бумаги водой.

Однако в случае перевода мешочной бумаги в электретное состояние происходит снижение поверхностной впитываемости на 25%, это обусловлено тем, что поляризационный заряд создает на поверхности материала энергетический барьер, что приводит к снижению скорости диффузии молекул воды в объем бумаги. Данное явление наблюдали и ранее [7, 8].

Факт уменьшения поверхностной впитываемости электретированной мешочной бумаги экспериментально подтверждается и в случае ее поверхностной обработки крахмальным покрытием (рис. 1).

Заключение

Таким образом, совместное применение поверхностной обработки крахмальным клеем и униполярным коронным разрядом позволяет улучшить сорбционные свойства 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 целлюлозной 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. Пинчук Л.С., Гольдаде В.А. Электретные материалы в машиностроении. - Гомель, 1998. - 288 с.

4. Галиханов М.Ф., Гороховатский Ю.А., Гулякова А.А., Карулина Е.А., Рычков А.А., Рычков Д.А., Темнов Д.Э. Способы получения, методы исследования и электрофизические свойства композитных полимерных пленок / под общ. ред. проф. Ю.А. Гороховатского. - Санкт-Петербург: изд-во «Фора-принт», 2014. - 264 с.

5. Галиханов М.Ф., Еремеев Д.А., Дебердеев Р.Я. Влияние наполнителя на поляризуемость полярного полимера в коронном разряде // Вестник Казанского технологического университета. - 2003. - № 2. - С. 374-378.

6. Муслимова А.А., Виранева А.П., Йовчева Т.А., Галиханов М.Ф. Изучение электретных свойств короноэлектретов на основе полилактида // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - Т. 15. - № 10. - С. 128-130.

7. Мусина Л.Р., Галиханов М.Ф. Применение поверхностной обработки и электретирования для увеличения показателей качества гофрированного картона // Химия растительного сырья. - 2012. - № 3. - С. 189-192.

8. Перепелкина А.А., Галиханов М.Ф., Мусина Л.Р. Модификация бумаги в целях повышения ее эксплуатационных свойств // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. - 2013. - № 6 (336). - С. 129-134.

© А. И. Назмиева, аспирант, кафедра технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, e-mail: nazmievaalsu@yandex.ru; Л. Р. Мусина - канд. техн. наук, доцент той же кафедры, L.musina@yandex.ru.

© A. I. Nazmieva, Ph.D. Student, Department of processing technology of polymers and composite materials of KNRTU, nazmievaalsu@yandex.ru; L. R. Musina, Candidate of Tech. Sciences, associate professor of polymers and composite materials of KNRTU, L.musina@yandex.ru.