Изменение влагопоглощающих свойств мешочной бумаги при ее поверхностной обработке

УДК 676.26

А. И. Назмиева, М. Ф. Галиханов, Л. Р. Мусина,

Я. К. Микрюкова, А. М. Минзагирова, А. В. Канарский

ИЗМЕНЕНИЕ ВЛАГОПОГЛОЩАЮЩИХ СВОЙСТВ МЕШОЧНОЙ БУМАГИ

ПРИ ЕЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКЕ

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

Рассмотрено влияние поверхностной обработки целлюлозно-бумажных материалов крахмалом и униполярным коронным разрядом на влагопоглощающие свойства материала. Установлено, что применение поверхностной обработки, может как увеличивать, так и уменьшать влагопоглощающие свойства мешочной бумаги, что зависит от вида используемого крахмала.

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

The paper describes the effect of surface treatment of pulp and paper material with starch and unipolar corona discharge on moisture-absorbing properties of the material. Surface treatment can both increase and decrease moisture-absorbing properties of the bag paper depending on the starch grade used

Введение

Широкое использование бумаги, картона и изделий на их основе в разных отраслях промышленности во многом обусловлено оптимальным, с точки зрения практического применения, сочетанием экономических показателей, физических и механических свойств. Мешочная бумага, предназначенная для изготовления многослойных мешков, является на сегодняшний день одной из наиболее массовых и прочных видов бумаги [1].

Многослойный бумажный мешок — это вид гибкой упаковки, которая должна быть устойчива к нагрузкам, возникающим в результате воздействия на мешок его содержимого, а также при фасовке, погрузочно-разгрузочных работах и транспортировке. Мешочную бумагу изготавливают из растительных волокон, легко впитывающих и теряющих влагу в зависимости от температуры окружающей среды и влажности воздуха. На практике при отсутствии контроля и регулирования этих параметров количество поглощенной влаги может изменяться в очень широких пределах и существенно влиять на механические и прочностные свойства бумаги.

Придание водостойкости целлюлозно-бумажным материалам возможно применением различных способов, например, нанесение полимерных покрытий, битумирование и др. Применение поверхностной обработки целлюлозно-бумажных материалов позволяют улучшить их эксплуатационные свойства [2-4]. Для поверхностной обработки бумаги часто используют крахмальные клейстеры. Молекула крахмала, как и целлюлозы, построена из глюкозных остатков и имеет такую же империческую формулу - (СбНюО5)п. В последнее время все больше используются модифицированные крахмалы, а также смеси модифицированных и нативных крахмалов [5].

Нативный крахмал является сырьем природного происхождения и обладает слишком слабой структурой. Чтобы расширить диапазон возможного промышленного применения, крахмал модифицируют. Модификация крахмала - это средства изменения структуры и влияния на водородную связь контро-

лируемым способом с целью улучшения и расширения их применения [6].

В то же время, имеются работы, направленные на изучение влияния физических полей различной природы (в том числе - униполярного коронного разряда) на те или иные свойства целлюлозно-бумажных материалов [7-10].

Таким образом, целью данной работы является изучение влияния поверхностной обработки крахмальным покрытием и униполярным коронным разрядом на влагопоглащающие свойства мешочной бумаги, в зависимости от вида применяемого крахмала.

Экспериментальная часть

В качестве объекта исследования были выбраны мешочная бумага марки М-70 (ГОСТ 2228-81), нативный крахмал (ГОСТ 31935-2012) и модифицированный крахмал (ГОСТ Р 51953-2002).

Для нанесения покрытия на поверхность целлюлозно-бумажных материалов были использованы образцы бумаги размерами 100*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 валика. Толщина крахмального покрытия составила 0,06 мм. Охлаждение материалов с поверхностной обработкой проводились при комнатной температуре.

Часть образцов с покрытием подвергалось элек-третированию в отрицательном коронном разряде на установке, схематично изображенной на рисунке 1. Измерение потенциала поверхности Vэ, напряженности электрического поля Е и эффективной поверхностной плотности заряда <уэф бумаги осуществляли компенсационным методом (экранирование приемного электрода) на приборе ИПЭП-1 через час после действия униполярного коронного разряда.

Испытание на определение впитываемости при полном погружении проводили по ГОСТ 13648.5-78

и поверхностной впитываемости проводили по ГОСТ 12603-67.

Впитываемость при полном погружении характеризует способность бумаги впитывать некоторое количество воды за определенное время.

Рис. 1 - Схема коронатора: 1 - источник высокого напряжения, 2 - заземленный электрод, 3 -коронирующий электрод, 4 - образец

Результаты и их обсуждение

Исследования показали, что мешочная бумага и бумага с крахмальным покрытием плохо электрети-руются в поле отрицательного коронного разряда -начальные значения Уэ, Е, стэф низкие, время их релаксации крайне малы (табл. 1).

Таблица 1 - Электретные характеристики мешочной бумаги

Электретные характеристики Исследуемые образцы

М-70 М-70 с по-верхност-ной обработкой на- тивным крахмалом М-70 с поверхностной обработкой смесью нативного и модифицирован-ного крахмалов

Уэ, в 38 30 25

Е, кВ/м 0,6 0,9 0,4

мкКл/м2 0,004 0,006 0,003

Плохая электретируемость целлюлозы и крахмала, как полярных диэлектриков в коронном разряде, предсказуемо [11, 12]. 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 энергетических ловушках. 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 относительно высока.

Низкие значения электретных характеристик можно объяснить и наличием сквозных пор (межволоконного пространства) бумаги, позволяющих носителям заряда достигать заземленного электрода (рис. 1) в процессе электретирования, не попадая в объем целлюлозных волокон, «облетая» их. Подобное явление было обнаружено при обработке в коронном разряде для полимерных волокнистых материалов [13].

Рис. 2 - Впитываемость (%) при полном погружении: 1 - М70; 2 - М70 с нативным крахмалом; 3 - М70 с модифицированным крахмалом; 4 -М70 со смесью модфицированного и нативного крахмалов; а - без обработки в поле коронного разряда; б - с обработкой в поле коронного разряда

При нанесении на поверхность мешочной бумаги нативного крахмала, впитываемость при полном погружении уменьшается на 25 %. А при использовании модифицированного и смеси крахмалов, впи-тываемость при полном погружении увеличивается на 117 % и 36 %, соответственно. Покрытие поверхности бумаги крахмалом, за счет образования сплошной пленки, должно уменьшить впитывае-мость при полном погружении, что наблюдается в случае применения нативного крахмала. В случае модифицированного крахмала и смеси модифицированного и нативного крахмала наблюдается обратное явление. Химическая модификация нативных крахмалов, наоборот, увеличивает набухаемость гранул крахмала [14].

Видно, что при обработке мешочной бумаги с крахмальным покрытием в поле коронного разряда впитываемость при полном погружении незначительно повышается. Это говорит о том, что и в крахмале, также как и в бумаге протекают одинаковые процессы на молекулярном уровне.

Нанесение на поверхность бумаги тонкого слоя проклеивающих веществ предохраняет ее от выщипывания отдельных волокон липкими красками, а также для уменьшения деформации бумаги при увлажнении для обеспечения точного совпадения красок в процессе многокрасочной печати. Поверхностная впитываемость капельным способом показывает поверхностную структуру материала.

Поверхностная впитываемость при использовании нативного крахмала увеличилась на 38 %. Использование модифицированного крахмала и смеси крахмалов увеличивает поверхностную впитывае-мость на 27 % и 32 % соответственно.

Обработка в поле коронного разряда изменяет значения поверхностной впитываемости незначительно.

Рис. 3 - Поверхностная впитываемость капельным способом, с: 1 - М70; 2 - М70 с нативным крахмалом; 3 - М70 с модифицированным крахмалом; 4 - М70 со смесью модфицированного и нативного крахмалов; а - без обработки в поле коронного разряда; б - с обработкой в поле коронного разряда

Заключение

Из полученных результатов видно, что нанесение крахмального покрытия на основе нативного крахмала уменьшает впитываемость при полном погружении на 25%, а при использовании модифицированного крахмала и смеси этих крахмалов наблюдается обратное явление. Что объясняется природой крахмалов.

Поверхностная впитываемость при использовании разных видов и соотношений крахмала увеличивается, за счет поверхностной структуры материала.

Обработка мешочной бумаги в поле коронного разряда влияет на ее свойства незначительно.

Литература

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

2. 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.

3. Вураско А.В., Фролова Е.И., Стоянов О.В. Повышение сорбционных свойств технической целлюлозы из недревесного растительного сырья // Вестник Каз. технол. унта. - 2014. - Т.17, № 1. - C. 41-43.

4. Перепелкина А.А., Галиханов М. Ф., Мусина Л.Р. Влияние термической обработки и электрофизического воздействия на сопротивление продавливанию целлюлозно-бумажного материала // Вестник Каз. технол. ун-та. -2013. - Т.16, № 7. - С. 113-114.

5. 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.

6. Справочник по гидроколлоидам/ Г.О. Филлипс, П.А. Вильямс (ред): Пер. с англ. А.А. Кочетковой и Л.А. Са-рафановой. - Спб.: ГИОРД, 2006, - 536 с.

7. Мусина Л.Р. Применение электретирования как способа упрочнения комбинированного гофрированного картона // Вестник Каз. технол. ун-та. - 2014. - Т. 17, № 10. - C. 45-47.

8. Назмиева А.И., Галиханов М.Ф., Гайнанова Г.А. Влияние электретного состояния на впитываемость при полном погружении целлюлозно-бумажных материалов. // Вестник Казанского технологического университета. -2015. - Т. 18. - № 1. - С. 153-155.

9. Назмиева А.И., ГалихановМ.Ф., Мусина Л.Р., Нафикова А.Р., Альметова Г.Ф. Влияние пшеничного нативного крахмала и действия коронного разряда на свойства мешочной бумаги. // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - Т. 18. - № 16. - С. 151-153.

10. АнаньевВ.В., Чалых А.Е., Банникова О.А. Адгезионные свойства комбинированного материала бумага

- полиэтилен. Исследование энергетических характеристик поверхности // Пластические массы. - 2009. - № 6.

- С. 27-29.

11. Галиханов М.Ф., Бударина Л.А. Короноэлектреты на основе полиэтилена и сополимеров этилена с винилаце-татом // Пласт.массы. - 2002. - № 1. - С. 40-42.

12. Electrets / Ed. Sessler G.- Berlin: Springer, 1987. - 453 p.

13. Галиханов М.Ф., Перепелкина А.А. Электретные свойства полипропиленовых нетканых полотен «спанбонд» различных марок // Вестник технологического университета. - 2015. - Т. 18. - № 12. - С. 54-56.

14. Sung-Gil Choi, William L. Kerr. Swelling Characteristics of Native and Chemically Modified Wheat Starches as a Function of Heating Temperature and Time. // Starch. -2004. - V. 56. - P. - 181-189.

© А. И. Назмиева, аспирант каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ,

nazmievaalsu@yandex.ru; М. Ф. Галиханов, д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, mgalikhanov@yandex.ru; Л. Р. Мусина, канд. техн. наук, доцент той же кафедры технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, L.musina@yandex.ru; Я. К. Микрюкова, студентка группы 52314, факультет технологии, переработки и сертификации полимеров и композитов КНИТУ; А. М. Минзагирова, студентка группы 5231-4, факультет технологии, переработки и сертификации полимеров и композитов КНИТУ; А. В. Канарский, д-р техн. наук, профессор, кафедра пищевой биотехнологии КНИТУ.

© A. Nazmieva, Ph.D. student, Department of processing technology of polymers and composite materials, Kazan Kazan National Research Technological University, nazmievaalsu@yandex.ru; M. Galikhanov, professor, Dr. of Technical Sciences, Full professor, Department of Processing Technology of Polymers and Composite Materials, Kazan National Research Technological University, mgalikhanov@yandex.ru; L. Musina, PhD in Technical Sciences, Associate professor at the Department of Processing Technology of Polymers and Composite Materials, Kazan National Research Technological University, L.musina@yandex.ru; Ya. Mikryukova, student, Faculty of Plastics and Composite Materials Technology, Processing and Certification, Kazan National Research Technological University; A. Minzagirova, student, Faculty of Plastics and Composite Materials Technology, Processing and Certification of Kazan National Research Technological University; A. Kanarskiy, Dr. of Technical Sciences, Full Professor at the Department of Food Biotechnology, Kazan National Research Technological University.