автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Модифицирование поверхности гофрированного картона полиолефинами для улучшения комплекса его свойств

На правах рукописи

Мусина Ляйсан Рафаиловна

МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ГОФРИРОВАННОГО КАРТОНА ПОЛИОЛЕФИНАМИ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КОМПЛЕКСА

ЕГО СВОЙСТВ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

1 6 МАЙ 2013

диссертации нд соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань-2013

005057981

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КНИГУ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Галиханов Мансур Флоридович

Официальные оппоненты: Канарский Альберт Владимирович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», профессор кафедры пищевой

биотехнологии

Казаков Яков Владимирович кандидат технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова», заведующий кафедрой технологии целлюлозно-бумажного производства

Ведущая организация: Волжско-Камский научно-исследовательский институт лесной промышленности, г. Казань

Защита состоится «16» мая 2013 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д212.008.02 при ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» по адресу: 163002, г. Архангельск, набережная Северной Двины, д. 17, ауд. 1220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан «» 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Т.Э. Скребец

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время стремительно растет объем применения упаковки из гофрированного картона для самой разнообразной продукции. Однако высокие объемы производства не всегда гарантируют заданный уровень требований к качеству выпускаемой продукции. Отличительной особенностью гофрированного ■ картона являются значительные колебания механических показателей от действия влаги. Высокая гигроскопичность гофрированного картона не позволяет обеспечивать сохранение структуры и геометрии упаковки и, как следствие, ведет к потерям упаковываемой продукции. Поэтому в современных технологиях целесообразным является применение процессов придания гофрированному картону и его исходным компонентам механической прочности и влагостойкости. Среди основных способов упрочнения гофрированного картона можно выделить: импрегнирование; поверхностную обработку полимерными пленками; дублирование гофрированного слоя синтетическими клеевыми дисперсиями, термопластичными смолами, полимерными пленками из которых наиболее перспективным представляется покрытие полимерными пленками. Несмотря на имеющиеся в технической литературе данные о способах упрочнения гофрированного картона, теоретически и экспериментально обоснованных доказательств о механизмах изменения комплекса механических, барьерных, адгезионных и технологических свойств целлюлозно-бумажных материалов при поверхностной обработке полимерными материалами нет.

Одним из перспективных направлений в современном материаловедении является модифицирование свойств диэлектриков с помощью воздействия электрического поля, например, элекгретирование. Имеются данные, что полимерные упаковочные материалы на основе электретов способны продлевать срок хранения ряда пищевых продуктов. Однако нет электретов на основе целлюлозно-бумажных материалах, что может быть перспективным с точки зрения создания активной упаковки на основе относительно дешевых и распространенных материалов. Как следствие нет и сведений о влиянии электрегного состояния целлюлозно-бумажных диэлектриков на комплекс их свойств.

Изучение поверхностных явлений при процессах обработки полимерными материалами и электретировании, а также установление зависимостей между исходными характеристиками полимеров и физико-механическими свойствами целлюлозно-бумажных материалов позволит управлять качеством гофрированного картона с целью получения упаковки с заданными свойствами.

Таким образом, целью настоящей работы явилось создание гофрированного картона с поверхностной обработкой термопластичными полимерами и электретными свойствами и исследование влияния модифицирования поверхности на физико-механические свойства целлюлозно-бумажных материалов.

Для достижения поставленной цели были определены и решены следующие задачи:

- создать гофрированный картон с поверхностной обработкой термопластичными полимерами;

- изучить влияние поверхностной обработки на физико-механические свойства гофрированного картона и картона для плоских слоев;

- создать электреты на основе гофрированного картона с поверхностной обработкой полимерными материалами и оценить его электретные свойства;

- изучить проявление электретного эффекта на показатели качества комбинированного материала; , .

- предложить новую технологию изготовления гофрированного картона с поверхностной обработкой и электретированного в условиях традиционного процесса технологического производства гофрированного картона.

Научная новизна работы. Создан и научно обоснован целлюлозно-бумажный материал с повышенными влагопрочными, барьерными, прочностными и адгезионными характеристиками - картон для плоских слоев и гофрированный картон с поверхностной обработкой парафиновой смесью или термопластичными полимерами (полиэтиленом, полипропиленом и сополимером этилена с винилацетатом), что связано с проникновением полимера в межволоконное пространство целлюлозно-бумажного материала и образованием дополнительного барьерного слоя.

Установлено, что электретный эффект оказывает положительное влияние на механические и адгезионные свойства гофрированного картона как в сухой, так и во влажной среде, обусловленное ориентацией структурных элементов целлюлозно-бумажного материала в электрическом поле при его электретировании.

Практическая ценность работы. По результатам работы разработан комбинированный материал на основе гофрированного картона и полимерных материалов с улучшенными показателями качества, который может найти широкое применение в традиционных и новых областях применения. Имеется акт о выполнении лабораторных испытаний ОАО «Хитои» о том, что разработанные композиции гофрированного картона с поверхностной обработкой полимерными покрытиями показали улучшенные значения физико-механических и барьерных показателей качества и могут быть рекомендованы для внедрения операции поверхностной обработки полимерными покрытиями в технологический процесс изготовления гофрированного картона.

Предложены новые технологии получения гофрированного картона с поверхностной обработкой термопластичными полимерами и

электретированного гофрированного картона.

Возможность производства гофрированного картона с поверхностной обработкой полимерными материалами подтверждена актом испытаний ОАО «Хитон».

Эффективность применения ящиков из гофрокартона с поверхностной обработкой полипропиленом для упаковки мороженного подтверждена актом опытно-промышленных испытаний ООО «Ак Барс Логистика».

Автором выносятся на защиту следующие основные положения диссертационной работы:

- Результаты исследований влияния поверхностной обработки картона для плоских слоев и гофрированного картона полиолефинами на изменение их физико-механических свойств,

- Экспериментальные данные о влиянии процесса электретирования поверхности комбинированного гофрокартона на комплекс его свойств.

- Технологии получения гофрированного картона с модифицированной полиолефинами поверхностью.

Апробация работы. Результаты работы были доложены на XI Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2010), на Региональных 44-ой и 46-ой научно-студенческих конференциях «Победа. Наука. Молодежь» (Чебоксары, 2010, 2012), на VII Международной научно-технической Интернет - конференции «Леса России в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2011), I Международной научно-технической конференции «Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов» (Архангельск, 2011), на Международной конференции «Актуальные проблемы науки о полимерах» (Казань, 2011), на V Всероссийской конференции с международным участием «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2012).

Личное участие автора заключается в разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач 1 теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора проведены экспериментальные исследования по изучению свойств гофрокартона и его компонентов, разработаны технологические схемы процесса получения гофрокартона с модифицированной поверхностью и проведены опытно-промышленные испытания. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 статей в журналах рекомендованных ВАК для размещения материалов диссертации, 3 статьи, 4 тезиса докладов на Международных, Всероссийских и региональных научных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и 3 приложений. Работа изложена на 145 страницах, содержит 33 рисунка, 19 таблиц и список литературы из 120 ссылок. .-■..- ■

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены структура и свойства гофрированного картона и его компонентов. Представлены методы, применяемые для получения упрочненного и влагостойкого гофрокартона. Приведены общие сведения об электретах, способах изготовления и области их применения. Даны сведения об электретном состоянии в полимерных материалах.

Во второй главе описаны объекты и методы их исследования.

В работе были исследованы картон для плоских слоев (К, ТУ 5441-09500279410-2007) и гофрированный картон (ГК, ГОСТ Р 52901-2007). В качестве покрытий использовались парафин (ГОСТ 23683-89), церезин (ГОСТ 2488-79), с соотношением парафина и церезина 4:1; пленки из полиэтилена (ПЭ, ГОСТ 16337-77), полипропилена (ПП, ГОСТ 26996-86), сополимера этилена с винилацетатом (СЭВА, ТУ 6-05-1636-78), толщиной 10, 23,90 мкм соответственно.

Поверхностная обработка образцов осуществлялось в термошкафу путем наложения пленки на поверхность целлюлозно-бумажных материалов или пропиткой смесью парафина и церезина. Охлаждение образцов с поверхностной обработкой полимерами проводилось при комнатной температуре. Часть образцов охлаждали в поле отрицательного коронного разряда для перевода их в электретное состояние.

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

Для оценки качества исследуемых целлюлозно-бумажных материалов использовались: комплексная оценка механических свойств материалов при приложении статических нагрузок (разрушающее усилие при сжатии кольца, сопротивление торцевому сжатию, сопротивление продавливанию', влагопрочность); адгезионная прочность слоев гофрокартона в сухой и влажной среде (сопротивление расслаиванию, водостойкость клеевого соединения погружением в воду); барьерные свойства гофрокартона и его компонентов (поверхностная впитываемость воды при одностороннем смачивании (Кобб«,), впитываемость при полном погружении) осуществлялось согласно методикам испытаний. Для оценки технологических свойств использованы, методы испытаний на эластичность покрытия при изгибе, линейной деформации, сопротивления разрыву вдоль гофров по линии рилевки.

Ц третьей главе приводятся и обсуждаются результаты, полученные на основе изучения свойств картона для плоских слоев и гофрированного картона с поверхностной обработкой и электретированных.

На первом этапе экспериментальных работ был получен картон для плоских слоев гофрокартона с поверхностной обработкой парафиновой

смесью и полимерными материалами, а также оптимизированы технологические режимы получения образцов. С целью получения высокой адгезионной прочности между слоями и обеспечения равномерного нанесения покрытия на поверхность картона, рекомендованы следующие технологические параметры: температурный режим обработки 150 С (ПЭВД), 190°С (ПП), ]45°С (СЭВА) и 75°С (парафиновая смесь); выдержка в течение 10 мин (для полимеров) и 20 мин (для парафиновой смеси). Далее было изучено влияние поверхностной обработки на свойства картона при воздействии статических нагрузок и сопоставлено характеристиками обычного картона для плоских слоев (рисунок 1).

50 - 46,

40 ~ i| 30 '. 1|

20 мШ\ ; Щ

10 I

К+пар.см. К+ЛЭ К+ПП К+СЭВА Исследуомыо образцы

10 10 7

Рисунок I - Изменение разрушающего усилия при сжатии кольца картона для плоских слоев с поверхностной обработкой полимерами и

парафиновой смесью

Прочность сцепления комбинированных материалов зависит от видов адгезии. В данном случае превалирует механическая адгезия - сцепления картона с покрытием за счет затекания в поры картона полимера, находящегося в вязкотекучем состоянии с последующим его затвердеванием. При этом после затвердевания полимера разрушающее напряжение будет зависеть от глубины затекания адгезива в микродефекты или поры картона. Наличие шероховатой поверхности способствует увеличению прочности сцепления за счет увеличения площади контакта и механических сцеплений макромолекул полимера с волокнами картона (рисунок 2).

Меньшее влияние поверхностной обработки ПП и С.ЭВА на механическую прочность можно объяснить высоким значением вязкости расплава ПП, и связанное с этим уменьшение глубины проникновения в структуру целлюлозно-бумажного материала. На уменьшение адгезии между картоном и пленкой из СЭВА оказывает влияние содержание винилацетата (в

et

Рисунок 2 - Фотографии поверхности картона для плоских слоев с увеличением: а -200 х, б-2000 х

испытаниях использовалась пленка с содержанием винилацетата - 11-13%), т.к. с его увеличением возрастает адгезия полимера к целлюлозной основе.

В результате исследований было установлено, что при погружении картона в воду наблюдается снижение его механических характеристик по сравнению с первоначальной прочностью в среднем на 40-94%. Причина снижения влагопрочных свойств картона (рисунок 3) объясняется, прежде всего, ослаблением межволоконных связей при проникновении воды в межволоконное пространство. Плотность молекулярного взаимодействия в структуре картона значительно снижается, что приводит к снижению межволоконных связей, увеличению сегментальной подвижности макромолекул и появлению свободного объема и, как следствие, картон не может оказать заметное сопротивление воздействию статических нагрузок.

500 '¡6 9

400 | а Рисунок 3 - Изменение

эоо К | ! влагопрочности картона для плоских

200 | 23 68 23 слоен с поверхностной обработкой

100 полимерами и парафиновой смесью

К+пар.см. К+ПЭ К+ПП К+СЭВА Исследуемые образцы

Увеличение влагопрочности картона для плоских слоев во влажном состоянии (рисунок 3) при применении поверхностной обработки полимерными покрытиями объясняется тем, что расплав полимера, затекающий в пространство между волокнами, препятствует проникновению воды в сложную капиллярно-пористую структуру картона, защищая бумажный материал от проникновения в него влаги с одной из сторон.

Экспериментальные исследования показали хорошую эффективность упрочняющего действия поверхностной обработки и на свойства гофрированного картона (таблица 1).

Таблица 1 - Результаты испытаний физико-механических свойств гофрокартона и гофрокартона с поверхностной обработкой

Исследуемый образец

К

ГК+пар.см. " ГК

гк+пэ

ГК

гк+пп

ГК

ГК+СЭВА

Сопротивление торцевому сжатию, кН/м

4,81

5,49

4,06

4,43 4,08

4,37

4,58

Ш

Влагопрочность, кН/'м

0,37

2,25 2,86

3,81

2,45

3,16 0,8 2,3 '

Сопротивление продавливанию, ' кгс/см" 10,74

9,73

7,34 8,02 7,85 7.78 9,16 12,87

Увеличение сопротивления торцевому сжатию при покрытии полимерами логически вытекает из сведений об образовании механической адгезии.

Исследованиями также было установлено, что при выдержке гофрокартона в воде имеет место ухудшение его характеристик в среднем на 30-90%. Эффект упрочнения гофрокартона при поверхностной обработке полимерными материалами сохраняется и при погружении образцов в воду.

. Результаты исследований свойств гофрокартона на сопротивление продавливанию, подтверждают упрочняющее действие покрытия на структуру материала (таблица 1). ■

Как видно из таблицы 1, поверхностная обработка гофрокартона покрытием из ПЭ и СЭВА повышает значения сопротивления продавливанию гофрокартона, что вполне логично - любой материал, в составе которого имеется дополнительный слой, превосходит свой аналог без этого слоя по физико-механическим показателям (при условии, если дополнительный слой сам обладает повышенными физико-механическими свойствами, как в данном случае). Полимерное покрытие служит дополнительным барьером и способствует многократному увеличению сопротивления, нарастающему давлению на образец.

Уменьшение сопротивления продавливанию для гофрированного картона при поверхностной обработке парафиновой смесью обусловлено глубоким проникновением расплава парафина в структуру гофрированного картона и, как следствие потерей пластичности волокон. Ухудшение значений сопротивления продавливанию для образцов с поверхностной обработкой ПГ1 объясняется слабой адгезией полимера к картону, тем самым снижается влияние дополнительного сопротивления от упрочненной бумажной основы.

Далее представлялось целесообразным изучение адгезионных свойств исследуемых материалов в сухой и влажной среде (таблица 2).

Таблица 2 - Изменение адгезионной прочности слоев гофрокартона в сухой и влажной среде

Сопротивление расслаиванию, кН/м

............. о.ззо ......

Исследуемые образцы гк

П<--пар.см.

гк ......

ГК+ПЭ ГК "

ГК+ПП

0,320 0,315

0,330 0.285 0,255

Водостойкость клеевого соединения, сек

288 432 216 391 '377 886

Увеличение значений сопротивления расслаиванию гофрированного картона с покрытием (т.е. увеличение адгезионной прочности между лайнером и флютингом) незначительно. 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, т.д.). При поверхностной обработке повышается прочность лайнера за счет появления полимерного покрытия, что влечет за собой и увеличение работы на отслаивание лайнера от флютинга, т.е. адгезионная прочность соединения слоев гофрокартона возрастает.

Результаты испытаний на водостойкость клеевого . соединения свидетельствуют о вышесказанном предположении, о роли влияния упрочненного поверхностного слоя на адгезионное взаимодействие между слоями гофрокартона (таблица 2). Также одним из факторов упрочнения является снижение гигроскопичности гофрированного картона при поверхностной обработке.

Таким образом, физико-механические показатели картона для плоских слоев и гофрированного картона с поверхностной обработкой при прочих равных условиях, практически по всем показателям оказались существенно выше соответствующих показателей обычного картона.

В научной литературе имеются сведения об улучшении свойств полимерных материалов при их электретировании. Обычный гофрированный картон не способен электретироваться в коронном разряде, однако такая возможность появляется после обработки его поверхности полимерными материалами.

Начальное значение разности потенциалов для образцов гофрированного картона с поверхностной обработкой ПЭ составило - 0,5 кВ, для ПП - 0,10 кВ и для СЭВ А - 0,05 кВ.

Для проверки предположений о роли влияния заряда на свойства целлюлозно-бумажного материала с поверхностной обработкой были проведены исследования по изучению влияния электретирования комбинированного гофрокартона на комплекс показателей его качества.

Сопоставив результаты испытаний гофрокартона с поверхностной обработкой и электретированного с обычным гофрокартоном, было отмечено увеличение значения сопротивления торцевому сжатию от 4,06 до 4,62 кН/м. Наиболее вероятными объяснениями характера полученных результатов могут быть нижеследующие.

На жесткость гофрированного картона большое влияние оказывает молекулярная ориентация волокон. При воздействии электрического поля в диэлектрике происходит ориентация и упорядочивание структурных элементов, повышение степени кристалличности полимера и, как следствие, упрочнение всей структуры материала. Можно предположить, что увеличение жесткости комбинированного материала при электретировании связано с упорядочиванием как молекулярной структуры полимерного покрытия, так и с возможной ориентацией элементов структуры целлюлозно-бумажного материала - сегментов макромолекул целлюлозы, лигнина и крахмала. Также одним из факторов влияния может быть реализация сил электростатических связей между волокнами и другими структурными элементами в картоне.

Предложенное обоснование изменения прочностных свойств гофрокартона с поверхностной обработкой и электретированных подтвердилось при испытании на сопротивление продавливанию. Увеличение свойств сопротивления продавливаиию электретированного комбинированного гофрокартона по сравнению с обычным гофрокартоном составило - 14%.

Аналогичный результат наблюдается и в образцах картона с поверхностной обработкой ПП, СЭВА и парафиновой смесью.

Определение влияния заряда на прочность адгезионного соединения слоев гофрированного картона в сухой и влажной среде показало значительное улучшение свойств (таблица 4).

Таблица 4 - Адгезионные свойства слоев гофрокартона с модифн ци ровашюйпов ерх н остыо

Исследуемые образцы

ГК

ГК+ПЭ+Э

Сопротивление расслаиваншо, кН/м 0,315

0,355

Водостойкость клеевого со еди 11 ения, с е к 216

397

Влияние электретного эффекта на адгезионную прочность гофрированного картона обусловлена появлением двойного электрического слоя, возникающего на границе адгезив - субстрат. Наличие двойного электрического слоя затрудняет разрушение адгезионного контакта при воздействии нагрузок и обусловливает увеличение работы отслаивания. При электретировании образцов гофрокартона с поверхностной обработкой Г1Э происходит поляризация поверхностных элементов. Ориентация макромолекул полиэтилена приводит к тому, что на границе раздела фаз «картон - крахмал» возникает двойной электрический слой, соответственно повышается работа, которую необходимо совершить, для отделения лайнера отфлютинга.

Проведенные эксперименты подтвердили эту гипотезу и на примере водостойкости клеевого соединения (таблица 4). Кроме этого, на возрастание водостойкости клеевого соединения влияет снижение гигроскопичности гофрокартона при поверхностной обработке.

Такая же закономерность изменения адгезионной прочности проявляется и при испытании гофрокартона с поверхностной обработкой другими полимерами.

Таким образом, результаты проведенных исследований на определение физико-механических свойств гофрированного картона .подтверждают вышесказанное предположение о положительном влиянии электретированйя, как способа упрочнения структуры гофрокартона с поверхностной обработкой термопластичными полимерами.

Уменьшение поверхностной впитываемости картона при поверхностной обработке полимерами (рисунок 4) также объясняется

защитным действием покрытия в сохранении структуры материала, которое основано на замедлении скорости диффузии молекул воды в объем картона.

Рисунок 4 - Поверхностная впитываемость картона с поверхностной обработкой ПЭ при одностороннем смачивании

Аналогичные по характеру зависимости барьерных свойств были получены и для образцов картона с поверхностной обработкой парафиновой смесью, ПП, СЭВА.

Увеличение барьерных характеристик наблюдается и при испытании электретированного гофрокартона с односторонней поверхностной обработкой в условиях полного погружения в воду (рисунок 5).

, < 12о, -|"« __( Рисунок 5 - Определение

5 д ^ юо • - в - та 80 I

I Е £ 80г й В____ | -- - впитываемое™ гофрокартона е

I I 4° ШЙ. I" * 5 поверхностной обработкой ПЭ

| I | го - В. т Г"!! при полном погружении

Характер растекания воды по поверхности обработанного гофрокартона был проанализирован в испытаниях на определении краевого угла смачивания. Анализ полученных данных показал, что краевые углы смачивания водой уменьшаются в ряду парафиновая смесь - ПЭ - ПП -СЭВА (79 , 65й, 56°, 47° соответственно). Высокие значения угла смачивания образцов с поверхностной обработкой парафиновой смесью можно объяснить с точки зрения неполярной природы смеси и минимальным влиянием микрорельефа поверхности на растекание жидкости, за счет равномерной пропитки картона смесью. Меньший угол смачивания образцов с поверхностной обработкой СЭВА обусловлено наличием полярных групп в цепи полимера, которые способствуют образованию молекулярного контакта с водой. Увеличение угла смачивания поверхности гофрированного картона при электрегировании на 2 - 17° обусловлено образованием энергетического барьера, на преодоление которого расходуется движущая сила растекания.

Производство гофрированного картона часто сопровождается образованием брака в виде коробления, линейной усадки и наличием трещин при технологических операциях рилевания и фальцовки заготовок. В целях минимизации производственных затрат при получении гофрированного картона был проведен ряд экспериментов направленных на изучение технологических свойств гофрокартона и его компонентов с поверхностной обработкой. Проведенные опы ты на устойчивость картона для плоских слоев гофрокартона с поверхностной обработкой ПП к трещинам показали следующие результаты. Полимерное барьерное покрытие успешно выдержало испытание на всех 1 1 цилиндрах (диаметром от 20 до I мм),

к+пэ

Исследуемые образцы

108

1- 1! 79 %-й- Ш- - ар- ■

; | ш Ш Щ-Ю 'ЯШ ШШ г ; Ш ; Ш»

ГК ГК+ПЭ ПО' ПОН Э

Исследуемые образцы

трещин и повреждений не наблюдалось. Это обусловлено тем, что проникновение полимера в структуру лайнера способствует ограничению степени свободы волокон и служит барьером по отношению к источнику развития трещины, ограничивая его дальнейшие распространение.

Размерная стабильность волокнистой структуры образца зависит от ее гигроскопичности. Устойчивость изменения линейных размеров под влиянием влаги и высоких температур, выраженная через степень усадки картона показана в таблице 5.

Таблица 5 - Результаты испытаний картона для плоских слоев и

картона с пове рхностной обработкой на определение линейной деформации

Исследуемый образец Линейная деформация в продольном направлении, см Изменение показателя, % 1,6 Линейная деформация в поперечном направлении,см Изменение показателя, %

К 0,395 0,455 0,280 1,8

К+ПЭ 0,235 1 1,2 1.1

К+ПП 0,250 1 0,255

Изменение линейных размеров картона от первоначальных размеров (таблица 5) обусловлено протеканием процессов набухания структурных элементов при воздействии воды и характерными релаксационными процессами волокон при воздействии высоких температур. Наличие полимерного покрытия приводит к снижению усадочных напряжений, за счет увеличения гидрофобности материала и возрастании жесткости структуры развивающимся усилиям разрыва.

Упаковка из гофрокартона в процессе эксплуатации часто подвергается воздействию изгибающих нагрузок. Результаты испытаний образцов с поверхностной обработкой ПП показали увеличение прочности при воздействии нагрузки по линии рилевки с 10 до 11,8 кН/м. Анализ полученных данных позволяет предположить, что полимерное покрытие способствует ограничению роста трещин, возникающих в результате концентрации напряжений по линиям рилевки гофрокартона при его разрушении. Также на улучшение показателя оказывает влияние значение толщины пленочного покрытия и, как следствие возрастание нагрузки прилагаемой для растяжения и дальнейшего разрыва комбинированного материала.

Таким образом, поверхностная обработка полимерными материалами и электретирование гофрированного картона оказывают значительное влияние па улучшение целого комплекса свойств упаковочного материала: механических, адгезионных, барьерных и технологических.

В четвертой главе представлены технологические способы производства гофрокартона с модифицированной поверхностью, а также приведены рекомендуемые технологические параметры производства гофрированного картона с модифицированной поверхностью.

На данном этапе работы была рассмотрена возможность поверхностной обработки картона для плоских слоев гофрокартона полимерами в виде пленки и расплава непосредственно на гофроагрегате. В настоящей работе предложен способ обработки упаковочного материала с помощью припрессовки пленки к картону для плоских слоев (рисунок 6).

Рисунок 6 - Схема получения электретированного гофрокартона с поверхностной обработкой с помощью припрессовки полимерной пленки: 1 - раскат двулучевой, 2 -полимерная пленка, 3,9- направляющий вал, 4 - каргой, 5 - подогреватель для картона, 6 - подогреватель для пленки, 7 - прижимной вал, 8 - комбинированный картон, 10 -бумага для гофрирования, 11 - комбинированный двухслойный гофрокартон, 12 -гофронресс, 13 - коронатор, 14 -электретировапный комбинированный гофрокартон, 15 -продольно-резательная машина, 16 - готовая продукция, 17- листоукладчик.

Данную технологию можно представить следующим образом. Пленка полимера (поз. 2) после раската (поз. I) поступает на подогреватель (поз. 6), где происходит ее подогрев до вязкотекучего состояния, а затем с помощью прижимного вала (поз. 7) соединяется.с картоном (поз. 4), поступающего с раската через подогреватель (поз. 5). Прикладываемое давление обеспечивает проникновение расплавленного полимера в структуру картона. Далее обработанный материал (поз. 8) поступает в гофронресс (поз. 12). После сушки комбинированного гофрокартона следует стадия электретирования (поз. 13) его поверхности. Технологические параметры производства представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Технологические параметры производства гофрокартона с м0ди(|)и11ир01ин!110й п0лиэтиле1юм поверхностью (рисунок 6)

Технология с

Показатели применением

припрессовки пленки 5-1(1

Толщина полимерного покрытия, мкм (поз. 2) Температура вала предварительного подогрева

__________ картона,^С (поз. 5)

_____Температура подогрева пленки, °С (поз. 6)

Давление в зоне прижима пленки к картону, МПа (поч.7)

Производительное гофроагрегата, м/мин (поз. 12)

165 - 175 150-165 0,3 - 0,5 ~ 40 - 90

Данная технология получения комбинированного гофрокартона была апробирована в условиях производства на ОАО «Хитон», в результате чего были изготовлены гофроящики с поверхностной обработкой полимерными покрытиями.

Для проверки эксплуатационных свойств транспортной упаковки из подобного материала, гофроящики использовались для упаковки мороженного. В процессе эксплуатации ящики обеспечили защиту продукции при минусовой температуре, а также сохранили высокие показатели механической прочности, о чем свидетельствует ак+ от ООО «Ак Барс Логистика».

Также одним из наиболее применимых способов обработки картона полимерной пленкой является соединение с помощью клея-адгезива (рисунок 7).

Рисунок 7 - Схема получения электретированлого гоорокартона с помощью адгсзива: 1- раскат лвулучевой, 2 - полимерная пленка, 3 - картом для плоских слоев, 4 -клеевая ванна, 5 - клеенапосящий вал, 6 - прижимной вал, 7 - прижимные валы, 8 -двухслойный комбинированный картон, 9 - подогреватель, 10 - бумага для гофрирования. 11 - комбинированный двухслойный гофрокартон, 12 - гофропресс, 13 - коронатор, 14-комбинироианным электретироваиный гофрокартон, 15 - продольно-резательная машина, 16 - готовая продукция, 17 - лнетоукладчнк.

На сегодняшний день большинство линий по производству гофрированного картона имеют двулучевые раскаты. Это позволяет включить в действующую линию производства гофрокартона только клеевую ванну (поз. 6). Совмещение слоев осуществляется на раскатах, процесс сушки - на подогревателе (поз. 9). Дальнейший процесс переработки осуществляется согласно традиционному способу изготовления гофрированного картона. После выхода из сушильного стола гофрокартон проходит через коронирующее устройство (поз. 13) для поляризации поверхности комбинированного гофрированного картона (поз. 11). После электретирования, заряженный комбинированный гофрокартон (поз. 14) поступает на операции рилевания и резки (поз. 15), Для достижения наилучшей эффективности процесса электретирования гофрированного картона представляется целесообразным включение коронирующего устройства в технологическую цепочку производства между операциями

сушки и рилевания материала. Рекомендуемые параметры технологического процесса и характеристики материала представлены в таблице 7.

Таблица 7 - Технологические параметры производства гофрокартона с модифицированной полиэтиленом поверхностью (рисунок 7)______________________

Технология с

Показатели применением

клея-адгезива

Толщина полимерного покрытия, мкм (поз. 2) 5-20

Давление в зоне прижима пленки к картону, МПа (поз. 7) 0,3 - 0,5

Производительность гофроагрегата, м/мин (поз. 12) 40-90

Основное преимущество данного метода обработки является минимальные экономические затраты на модернизацию оборудования применяемого в традиционной технологии производства материала.

Одним из универсальных способов получения бумажных материалов с полимерным покрытием является экструзия. Данную технологию для производства комбинированного и электретированного гофрокартона можно представить следующим образом (рисунок 8).

Рисунок 8 - Схема получения электретированного гофрокартона с поверхностной обработкой экструзионпым способом: 1 - раскат для картона, 2 - картон для плоских слоев, 3 - подогреватель, 4 - прижимной вал, 5 - экструдер, 6 - плоскощелевая головка, 7 - расплав полимера, 8 - охлаждающий вал, 9 - направляющий вал, 10- комбинированный картон для плоских слоев, II - подогреватель, 12 - бумага для гофрирования, 13 -комбинированный двухслойный гофрокартон, 14 - гофропресс, 15 - коронатор, 16 -электретированный комбинированный гофрокартон, 17 - продольно-резательная машина, 18 - готовая продую шя, 19 - листоукладчнк.

Расплав полимера (поз. 7) через плоскощелевую головку (поз. 6) экструдера (поз. 5) наносится на поверхность материала-основы (поз. 2) перед прижимным валом. За счет высокой температуры и давления между валками осуществляется соединение картона с экструдируемым полимером. Готовый материал подается на подогреватель (поз. 11). После выхода из сушильного стола комбинированный гофрокартон поступает на коронатор

(поз. 15). Рекомендуемые технологические параметры производства

комбинированного гофрированного картона с применением метода

экструзии представлены в таблице, 8. Данный метод обработки является наиболее универсальным и экономическим.

Таблица 8 - Технологические параметры производства гофрокартона с модифицированной полиэтиленом поверхностью (рисунок 8)

Показатели

Толщина полимерного покрытия^ мкм Ггюз. 7)

Температура расплава полимера, °С (поз. 5) Температура вала предварительного подогрева картона, °С (поз. 3)

Давление в зоне прижима пленки к картону, МПа (поз. 4) Температура охлаждения пленки, °С (поз. 8)

__Производительность гофроагрепта._м/мин (поз. 14)

Технология с применением экструзии

10-20

280 - 300

165- 175

0,3 - 0,5

60-70

40-150

В качестве оптимального покрытия для поверхностной обработки гофрированного картона рекомендовано применение полиэтилена. Среди представленных в работе технологий производства гофрированного картона с модифицированной поверхностью наиболее технологичным способом является экструзионный метод обработки.

В результате экономической оценки изменения себестоимости комбинированного гофрированного картона, было установлено удорожание 1 м" упаковочного материала, при поверхностной обработке: полиэтиленом -3%, полипропиленом - 5%, сополимер этилена с винилацетатом - 9% и парафиновой смесью - 8%.

В приложениях к работе приведены акты лабораторных исследований и опытно-промышленного выпуска гофрокартона с модифицированной поверхностью и опытно-промышленных испытаний упаковки на основе гофрокартона с поверхностной обработкой полипропиленовым покрытием.

ВЫВОДЫ

1. Создан и теоретически обоснован целлюлозно-бумажный материал с повышенными прочностными и влагопрочными характеристиками - картон для плоских слоев и гофрированный картон с поверхностной обработкой парафиновой смесью и термопластичными полимерами полиэтиленом, полипропиленом и сополимером этилена с винилацетатом.

2. Показано, что поверхностная обработка термопластичными полимерами в целом повышает механические (до 41%), барьерные (до 26%), адгезионные (до 5%) и технологические (до 19%) свойства гофрированного картона и его компонентов, что связано с проникновением полимера в

межволоконное- пространство целлюлозно-бумажных материалов и образованием дополнительного барьерного слоя.

3. Впервые получен комбинированный гофрированный картон с электретными свойствами. Установлено что электретный эффект оказывает положительное влияние на механические (увеличение до 6%) и адгезионные (увеличение до 15%) свойства гофрированного картона как в сухой, так и во влажной среде, обусловленное ориентацией структурных элементов целлюлозно-бумажного материала в электрическом поле при его электретировании.

4. : Предложена технологическая схема и рекомендованы технологические параметры производства комбинированного гофрированного картона с включением операций поверхностной обработки и электретирования в традиционную линию изготовления упаковочного материала.

ПУБЛИКАЦИИ

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Мусина, Л.Р. Практические решения повышения физико-механических и барьерных свойств целлюлозно-бумажного материала с применением полимерного покрытия / Л.Р. Мусина, М.Ф. Галиханов // Вестник Казанского технологического университета. —2011. - №2. — С. 86-90.

2. Мусина, Л.Р. Условия достижения высоких показателей механической прочности целлюлозно-бумажных материалов / Л.Р. Мусина, М.'Ф. Галиханов // Вестник Казанского технологического университета. -

2011.-№5.-С. 44-46.

3. Галиханов, М.Ф. Повышение барьерных свойств гофрокартона для создания высококачественной упаковки для обуви / М.Ф. Галиханов, Л.Р. Мусина // Известия вузов. Технология легкой промышленности. - 2012. - №1. - С. 7-9.

4. Мусина, Л.Р. Электретный парафинированный гофрированный картон / Л.Р. Мусина, М.Ф. Галиханов // Дизайн. Материалы. Технология. -

2012.-№3.-С. 58-61.

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

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

7. Мусина, Л.Р. Изучение свойств упрочненного картона как основного компонента гофрокартона / Л.Р. Мусина, М.Ф. Галиханов // Целлюлоза. Бумага. Картон. - 2012. - №9. - С. 64-66.

Научные статьи, материалы и тезисы конференций:

8. Мусина, Л.Р. Гофрокартон с высокими барьерными свойствами: перспективы производства / Л.Р. Мусина, М.Ф. Галиханов, З.С. Гильмутдинова, Г.Р. Габайдуллина // Сборник материалов XI международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии». -Часть2.-Казань: Отечество. -2010. - С. 191-194.

9. Гильмутдинова, З.С. Механические свойства многослойного материала на основе гофрокартона и полиэтилена / З.С. Гильмутдинова, Л.Р. Мусина, М.Ф. Галиханов // Сборник трудов Региональной 44-й научно-студенческой конференции «Победа. Наука. Молодежь». - Чебоксары, 2010. -С. 325.

10. Мусина, Л.Р. Исследование барьерных свойств целлюлозно-бумажных материалов с применением поверхностной обработки полипропиленом / Л.Р. Мусина, A.B. Кокорина, М.Ф. Галиханов // Тезисы докладов научной школы с международным участием «Актуальные проблемы науки о полимерах». - Казань: КГТУ. -2011. - С. 199-200.

11. Мусина, Л.Р. Исследование возможности повышения качественных показателей компонентов гофрированного картона в условиях производства/ Л.Р. Мусина, М.Ф. Галиханов // Материалы интернет-конференции «Леса России в XII веке»: - СПб.: ГОУВПО «Санкт-Петербургская гос. лесотехническая академия имени С.М. Кирова», 2011. - С. 123-126.

12. Мусина, Л.Р. Комплексные решения в использовании барьерных материалов на основе гофрокартона / Л.Р. Мусина, М.Ф. Галиханов // Материалы I международной научно-технической конференции «Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов». - Архангельск: Северный (Арктический) федеральный ун-т имени М.В. Ломоносова, 2011. - С. 154159.

13. Мусина, Л.Р. Применение поверхностной обработки для повышения показателей качества гофрированного картона при воздействии статических нагрузок / Л.Р. Мусина, М.Ф. Галиханов // Сборник материалов V Всероссийской конференции с международным участием «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» -Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2012. - С. 403-404.

14. Перепелкина, A.A. Исследование ламинированного и электретировапного гофрокартона на впигываемость при полном погружении в воду / A.A. Перепелкина, В.И. Фазылова, Л.Р. Мусина. М.Ф. ГалиханоЕ // Сборник трудов Всероссийской 46-й научной студенческой конференции «Россия. Наука. Университет» - Чебоксары: Чуваш, гос. ун-т, 2012.-С. 427-428.

Заказ № £>•?•

Тираж 100 экз.

Офсетная лаборатория КНИТУ 420015, г. Казань, ул. К.Маркса, д.68

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201356391 На ЧраВа /РУК0ПИСИ

Мусина Ляйсан Рафаиловна

МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ГОФРИРОВАННОГО КАРТОНА ПОЛИОЛЕФИНАМИ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КОМПЛЕКСА ЕГО СВОЙСТВ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы

дерева; химия древесины

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент М.Ф. Галиханов

Казань - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...........................................................................................................4

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Гофрированный картон, структурные особенности его компонентов. Основные физико-механические свойства гофрированного картона.........................................................................9

1.2. Особенности качественных характеристик

гофрированного картона из макулатуры..............................................13

1.3. Влияние влаги гофрированного картона на его

показатели качества................................................................................16

1.4 Получение упрочненного гофрированного картона и

его компонентов......................................................................................20

1.5. Общие сведения об электретах. Короноэлектреты. Основные свойства электретов. Области практического

применения электретов...........................................................................33

1.6 Физико-химические явления, возникающие в процессе

поверхностной обработки.......................................................................43

1.7. Заключение........................................................................................48

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Объекты исследования......................................................................50

2.2 Приготовление образцов картона и гофрокартона........................54

2.2.1 Кондиционирование образцов картона и гофрокартона...................................................................................54

2.2.2 Резка картона и гофрокартона..............................................54

2.2.3 Поверхностная обработка картона и

гофрокартона парафиновой смесью..............................................55

2.2.4 Поверхностная обработка картона и

гофрокартона полимерными пленками.........................................55

2.2.5 Электретирование картона и гофрокартона с поверхностной обработкой............................................................56

2.2.6 Определение электретных характеристик картона

и гофрокартона с поверхностной обработкой..............................57

2.3 Физико-механические испытания картона и гофрокартона.........57

2.3.1 Разрушающее усилие при сжатии кольца...........................57

2.3.2 Сопротивление торцевому сжатию......................................57

2.3.3 Влагопрочность......................................................................58

2.3.4 Сопротивление продавливанию...........................................59

2.3.5 Сопротивление расслаиванию..............................................59

2.3.6 Водостойкость клеевого соединения ..................................60

2.3.7 Поверхностная впитываемость воды при одностороннем смачивании (метод Кобба)..................................62

2.3.8 Впитываемость при полном погружении............................64

2.3.9 Краевой угол смачивания......................................................64

2.3.10 Линейная деформация.........................................................65

2.3.11 Удельное сопротивление разрыву с приложением разрушающего усилия вдоль гофров по линии рилевки после выполнения одного

двойного перегиба на 180°С по линии рилевки...........................66

2.3.12 Эластичность пленки при изгибе.......................................66

2.4. Определение изменения физико-механических

показателей картона и гофрированного картона при

поверхностной обработке и электретировании...........................67

Глава 3. Результаты и их обсуждение.........................................................68

Глава 4. Изготовление гофрированного картона с

модифицированной поверхностью..............................................111

Выводы.............................................................................................................123

Список сокращений и условных обозначений..........................................124

Список литературы.........................................................................................126

Список иллюстративного материала..........................................................139

Приложения.....................................................................................................142

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время стремительно растет объем применения упаковки из гофрированного картона для самой разнообразной продукции. Однако высокие объемы производства не всегда гарантируют заданный уровень требований к качеству выпускаемой продукции. Отличительной особенностью гофрированного картона являются значительные колебания механических показателей от действия влаги. Высокая гигроскопичность гофрированного картона не позволяет обеспечивать сохранение структуры и геометрии упаковки и, как следствие, ведет к потерям упаковываемой продукции. Поэтому в современных технологиях целесообразным является применение процессов придания гофрированному картону и его исходным компонентам механической прочности и влагостойкости. Среди основных способов упрочнения гофрированного картона можно выделить: импрегнирование; поверхностную обработку полимерными пленками; дублирование гофрированного слоя синтетическими клеевыми дисперсиями, термопластичными смолами, полимерными пленками из которых наиболее перспективным представляется покрытие полимерными пленками. Несмотря на имеющиеся в технической литературе данные о способах упрочнения гофрированного картона, теоретически и экспериментально обоснованных доказательств о механизмах изменения комплекса механических, барьерных, адгезионных и технологических свойств целлюлозно-бумажных материалов при поверхностной обработке полимерными материалами нет.

Одним из перспективных направлений в современном материаловедении является модифицирование свойств диэлектриков с помощью воздействия электрического поля, например, электретирование. Имеются данные, что полимерные упаковочные материалы на основе электретов способны продлевать срок хранения ряда пищевых продуктов. Однако нет электретов на основе целлюлозно-бумажных материалах, что может быть перспективным с точки зрения создания активной упаковки на основе относительно дешевых и

распространенных материалов. Как следствие нет и сведений о влиянии электретного состояния целлюлозно-бумажных диэлектриков на комплекс их свойств.

Изучение поверхностных явлений при процессах обработки полимерными материалами и электретировании, а также установление зависимостей между исходными характеристиками полимеров и физико-механическими свойствами целлюлозно-бумажных материалов позволит управлять качеством гофрированного картона с целью получения упаковки с заданными свойствами.

Таким образом, целыо настоящей работы явилось создание гофрированного картона с поверхностной обработкой термопластичными полимерами и электретными свойствами и исследование влияния модифицирования поверхности на физико-механические свойства целлюлозно-бумажных материалов.

Для достижения поставленной цели были определены и решены следующие задачи:

создать гофрированный картон с поверхностной обработкой термопластичными полимерами;

- изучить влияние поверхностной обработки на физико-механические свойства гофрированного картона и картона для плоских слоев;

- создать электреты на основе гофрированного картона с поверхностной обработкой полимерными материалами и оценить его электретные свойства;

- изучить проявление электретного эффекта на показатели качества комбинированного материала;

- предложить новую технологию изготовления гофрированного картона с поверхностной обработкой и электретированного в условиях традиционного процесса технологического производства гофрированного картона.

Научная новизна работы. Создан и научно обоснован целлюлозно-бумажный материал с повышенными влагопрочными, барьерными, прочностными и адгезионными характеристиками - картон для плоских слоев и гофрированный картон с поверхностной обработкой парафиновой смесью или

термопластичными полимерами (полиэтиленом, полипропиленом и сополимером этилена с винилацетатом), что связано с проникновением полимера в межволоконное пространство целлюлозно- бумажного материала и образованием дополнительного барьерного слоя.

Установлено, что электретный эффект оказывает положительное влияние на механические и адгезионные свойства гофрированного картона как в сухой, так и во влажной среде, обусловленное ориентацией структурных элементов целлюлозно-бумажного материала в электрическом поле при его электретировании.

Практическая ценность работы. По результатам работы разработан комбинированный материал на основе гофрированного картона и полимерных материалов с улучшенными показателями качества, который может найти широкое применение в традиционных и новых областях применения. Имеется акт о выполнении лабораторных испытаний ОАО «Хитон» о том, что разработанные композиции гофрированного картона с поверхностной обработкой полимерными покрытиями показали улучшенные значения физико-механических и барьерных показателей качества и могут быть рекомендованы для внедрения операции поверхностной обработки полимерными покрытиями в технологический процесс изготовления гофрированного картона.

Предложены новые технологии получения гофрированного картона с поверхностной обработкой термопластичными полимерами и

электретированного гофрированного картона.

Возможность производства гофрированного картона с поверхностной обработкой полимерными материалами подтверждена актом испытаний ОАО «Хитон».

Эффективность применения ящиков из гофрокартона с поверхностной обработкой полипропиленом для упаковки мороженного подтверждена актом опытно-промышленных испытаний ООО «Ак Барс Логистика».

Автором выносятся на защиту следующие основные положения диссертационной работы:

- Результаты исследований влияния поверхностной обработки картона для плоских слоев и гофрированного картона полиолефинами на изменение их физико-механических свойств.

- Экспериментальные данные о влиянии процесса электретирования поверхности комбинированного гофрокартона на комплекс его свойств.

- Технологии получения гофрированного картона с модифицированной полиолефинами поверхностью.

Апробация работы. Результаты работы были доложены на XI Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2010), на Региональных 44-ой и 46-ой научно-студенческих конференциях «Победа. Наука. Молодежь» (Чебоксары, 2010, 2012), на VII Международной научно-технической Интернет - конференции «Леса России в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2011), I Международной научно-технической конференции «Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов» (Архангельск, 2011), на Международной конференции «Актуальные проблемы науки о полимерах» (Казань, 2011), на V Всероссийской конференции с международным участием «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2012).

Личное участие автора заключается в разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора проведены экспериментальные исследования по изучению свойств гофрокартона и его компонентов, разработаны технологические схемы процесса получения гофрокартона с модифицированной поверхностью и проведены опытно-промышленные испытания. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 статей в журналах рекомендованных ВАК для размещения материалов

диссертации, 3 статьи, 4 тезиса докладов на Международных, Всероссийских и региональных научных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и 3 приложений. Работа изложена на 145 страницах, содержит 33 рисунка, 19 таблиц и список литературы из 120 ссылок.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Гофрированный картон, структурные особенности его компонентов.

Основные физико-механические свойства гофрированного картона

Гофрированный картон (гофрокартон) представляет собой многослойную конструкцию. Он состоит из чередующихся плоских слоев картона и волнистых гофрированных слоев картона. Эти слои соединены между собой клеем [1].

С точки зрения строения и композиционного состава бумага представляет собой структурную целостность, образованную отдельными, связанными друг с другом волокнами [2]. В молекулах целлюлозы атомы углерода, водорода и кислорода связаны между собой ковалентными связями, а между молекулами действуют очень слабые силы Ван-дер-Ваальса и более прочные водородные связи. Наряду с водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса между целлюлозными волокнами в бумаге осуществляется значительное связывание трением и механическим сцеплением волокон и фибрилл на их поверхностях. При формировании бумажного листа в процессе сушки волокон, подвергнутых массному размолу, между фибриллами на поверхности волокон возникает сильное сцепление, обусловленное трением в результате тесного контакта переплетенных волокон. При этом наблюдается и когезия с образованием сил Ван-дер-Ваальса и водородных связей. Прочному связыванию способствует уплотнение волокон в мокром состоянии, в результате чего волокна, как бы вдавливаются друг в друга. Все это приводит к тому, что волокно в бумажном листе скорее будет разрываться, чем вырываться из листа [3].

Гофрированный картон относится к анизатропным материалам имеющим неодинаковые свойства по различным направлениям. Он обладает достаточной плоскостной и торцевой жесткостью и амортизационными свойствами [4, 5].

Прочность гофра, а следовательно гофрокартона определяют жесткость бумаги. Величина, определяющая прочность гофры, прямо пропорциональна модулю упругости, массе 1м и квадрату толщины гофрированного материала. Возрастание степени помола увеличивает модуль упругости, но снижает толщину,

поэтому с ростом степени помола модуль упругости изменяется незначительно. Увеличение содержания наполнителя вследствие снижения модуля упругости сильно уменьшает величину жесткости гофра. Увеличение ориентации волокон при отливе листа повышает показатель жесткости гофра [6].

Физико-механические свойства гофрированного картона принято оценивать следующими показателями: масса квадратного метра, толщина, плотность, сопротивление излому, разрыву, продавливанию, плоскостному сжатию, торцевому сжатию, расслаиванию, влажность, качество склеивания и рилевания

[1,7].

Сопротивление продавливанию является важным показателем при выборе гофрокартона в процессе конструирования тары. Под закрепленный по контуру образец материала через резцовую диафрагму подают избыточное давление до момента разрыва материала.

Сопротивление плоскостному сжатию показывает усилие, которое может выдержать гофрокартон в условиях равномерно распределенной по плоскости нагрузки до разрушения гофров. Плоскостная жесткость волнистого слоя, характеризующая его упругость, оказывает влияние на свойство гофрированного картона при его переработке, а также определяет жесткость гофрированного картона в изделие [1].

Сопротивление торцевому сжатию определяет прочность ящика на сжатие. Зависит от кольцевой жесткости плоских и волнистых слоев в поперечном направлении полотна [1].

Прочность склеивания слоев гофрированного картона является показателем для определения качества его склеивания. Метод основан на установлении усилия отрыва плоского слоя от волнистого слоя. Непрочное склеивание гофрокартона снижает его торцевую жесткость и сопротивление сжатию изготовленной из него тары [1].

Потребительские свойства гофрированного картона зависят прежде всего от вида и совокупности свойств исходных материалов. Анализ стандартных методов по определению механических свойств картона-лайнера и флютинга,

применяемых за рубежом, показывает, что они претерпели значительные изменения. Все большое количество потребителей отказываются от использования для оценки механических свойств сопротивления продавливанию, отдавая предпочтение показателям, характеризующим прочность на сжатие в поперечном направлении. В настоящее время большинство европейских производителей и потребителей картона-лайнера и флютинга отдают преимущество показателю, определяемому по методу - сопротивление торцевому сжатию короткого участка образца картона-лайнера или флютинга. Данный метод имеет преимущество в отношении точности и скорости измерения [8-9].

Гофрированный картон при эксплуатации часто подвергается воздействию изгибающих нагрузок. Методы определения жесткости при растяжении и изгибе стандартизированы, хотя и не получили пока широкого распространени�