Действие модифицирующих добавок в составе крахмальных клеев на качество упаковочных видов картона и гофрокартона

В статье представлен химический анализ адгезивных материалов, используемых в производстве картона и гофрокартона. Рассмотрены способы модификации адгезивов, за счет введения различных видов добавок. Представлен механизм гидрофобизации адгезивов на основе крахмала и его влияние на сорбционные и прочностные свойства картона и гофрокартона.

Ключевые слова: картон, гофрокартон, гидрофобизирующие добавки, химический состав, модифицированный крахмал, свойства

Одним из существенных недостатков картона является его слабая влагопрочность. Это значительно сужает сферу его применения в тех случаях, когда требуется сохранение прочности упаковки в условиях повышенной влажности. При этом снижение влагопрочности картона так же негативно сказывается и на его адгезионных свойствах, что в свою очередь увеличивает количество производственного брака [8–11].

При недостаточной водоудерживающей способности клея происходит быстрая потеря первых порций влаги. При дефиците влаги крахмал просто не способен клейстеризоваться и проявлять свои клеящие свойства. Тот момент, когда крахмал способен клейстеризоваться с проявлением клеящих свойств прекращается, когда содержание влаги в крахмальной суспензии становиться меньше 60 %. Если до этого момента крахмальные зерна не успели клейстеризоваться, то далее они ведут себя как инертный наполнитель клеевого шва [3,12,14,15]. Поэтому важно чтобы клей обладал повышенной водоудерживающей способностью на начальной стадии, когда происходит клейстеризация крахмала и быстро досыхал на второй стадии после склейки чтобы не снижать производительности оборудования. Эту проблему можно уменьшить за счет разработки новых рецептур клеев для производства гофрокартона. А именно, путем введения в состав клея водоудерживающих добавок и добавок, которые бы ускоряли высыхание клея на стадии досыхания клеевого шва [7–11].

Гофрокартон, изготовленный с применением гидрофобных добавок в крахмальный клей, становится более стойким к повышенной влажности и перепадам температур. При этом снижается расслойка гофрокартона [1, 4].

Однако это решение только части проблем связанных с качеством упаковочных видов картона и гофрокартона. Отечественным производителям недостает стабильности качества продукции. Потребители предъявляют претензии к недостаточной прочности российского гофрокартона и гофротары. Здесь сказывается недостаток на российских предприятиях современного оборудования. Наряду этим следует отметить, что в настоящее время, отечественная индустрия так же остро нуждается в высококвалифицированных специалистах в данной области производства [6, 13].

Изначально крахмальные клеи, ввиду высокой гидрофильности, неустойчивы к действию воды и перепаду температур [2, 5, 7]. Поэтому для улучшения гидрофобизации и процессов адгезии в их состав вводятся модифицирующие добавки различной химической природы: бура, резорцин, ПВА и КМЦ. Полученные результаты экспериментальных исследований показали, что при использовании различных модификаций клея на основе кукурузного крахмала прослеживаются следующие закономерности:

– модификации крахмального (кукурузного) клея с использованием резорцина в сравнении с другими модификациями характеризуются максимальными показателями прочности при расслаивании. Причем, максимальная адгезия наблюдается уже при 3 % содержании добавки и при дальнейшем увеличении концентрации резорцина показатели практически не изменяются;

– в случае введения ПВА в качестве модифицирующей добавки, показатели сопротивления при расслаивании сильно снижаются (в сравнении с исходным адгезивом) и увеличиваются только при достижении 3 % концентрации и выше;

– использование добавки КМЦ приводит к максимально негативным последствиям. Так, в случае бумаг марки Б-0–125 и Б-3–112 при концентрации от 1 % до 3 % образцы не склеивались. А при дальнейшем увеличении концентрации наблюдалось лишь незначительное склеивание исследуемых образцов картона-основы. Полученные закономерности могут объясняться особенностями химического строения молекул крахмала и модифицирующих добавок.

При введении в суспензию крахмала молекул КМЦ анионный заряд частиц крахмала будет возрастать. Следовательно, процесс адсорбции частиц крахмального клея с добавкой КМЦ на поверхности целлюлозных волокон, ввиду одноименности зарядов, будет затруднен. Кроме того, в данном случае усиливается гидрофильность клея, что негативно скажется при склеивании образцов картона с высокими показателями впитывающей способности.

Рис. 1. Строение молекул крахмала

В случае использования модифицирующей добавки поливинилацетата (ПВА) следует учитывать, что данный компонент водится в систему в виде водной суспензии. Поэтому при незначительных концентрациях ПВА (до 3 %) изначально происходит разбавление коллоидного раствора крахмала и, следовательно, снижение показателей адгезии. При дальнейшем увеличении концентрации ПВА в клеевом растворе происходит усиление адгезионных свойств.

Молекулы резорцина в своем составе имеют две гидроксильные группы ОН^¯, что обусловливает гидрофильность поверхности резорцина аналогично крахмалу, ПВА и КМЦ. Однако, ввиду наличия в молекуле резорцина бензольного кольца (алкильной группы), другая часть молекулы будет гидрофобной. Следовательно, процесс закрепления частиц адгезива на поверхности целлюлозы-основы будет протекать легче, чем в случае с КМЦ и ПВА. Общая схема модификации крахмального клея молекулами резорцина представлена на рисунке 2.

Полученные результаты исследований показали, что при использовании модификации картофельного клея с использованием добавки резорцина как и в случае кукурузного крахмала наблюдается увеличение показателей прочности при расслаивании. Однако, при введении анионных добавок ПВА и КМЦ показатели сопротивления при расслаивании значительно выше в сравнении с кукурузным аналогом. Отсюда можно предположить, что заряд поверхности частиц картофельного крахмала имеет либо незначительный минус, либо практически равен нулю. Следовательно, при введении анионных гидрофобизаторов ПВА и КМЦ суммарный заряд поверхности частиц клея будет незначительно смещаться в отрицательную сторону.

Рис. 2. Механизм взаимодействия молекул крахмала, резорцина и целлюлозы-основы

Выводы: вслучае использования крахмальных клеев целесообразно использовать адгезивы на основе кукурузного крахмала + бура (1 %) + резорцин (3 %). Это обеспечит как высокие показатели адгезии, так и улучшит влагостойкость клеевого шва.

Литература:

1. Аким Э. Л. Синтетические полимеры в бумажной промышленности / Э. Л. Аким. М.: Лесная промышленность. — 1986. — 248 с.
2. Гулинкина, О.А, Влияние влажности на марку картона [Текст] — Щербакова, О.С.— Пакет. — 2001. — № 2(7) — С. 17–23.
3. Вайсман, Л. М. Структура бумаги и методы ее контроля [Текст] / Л. М. Вайсман. — М.: Лесная промышленность, 1973. — 152 с.
4. Ермаков С. Г., Хакимов Р. Х. Технология бумаги. — Пермь: Пермский гос. Тех. Университет, 2002.
5. Ершова О. В., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р., Мишурина О. А. Исследование зависимости свойств древесно-полимерных композитов от химического состава матрицы // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 2. С.26.
6. Ершова О. В., Мишурина О. А. Качество образования в техническом университете как педагогическая проблема // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. Серия: Педагогика, психология. 2014. № 4 (19). С. 49–52.
7. Клеи упаковочного назначения [Электронный ресурс]: ИД «РЕАЛ-ПРЕСС» / 2004. — Режим доступа: http://www.real-press.com/article.php?aid=238
8. Мишурина О. А., Тагаева К. А. Исследование влияния композиционного состава по волокну на влагопрочностные свойства исходного сырья при производстве картонных втулок // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. — 2013. Т. 1. № 71. С. 286–289.
9. Мишурина О. А., Муллина Э. Р., Жерякова К. В., Корниенко Н. Д., Фёдорова Ю. С. Анализ влияния сорбционных свойств бумаги-основы на процесс адгезии при получении различных видов бумажной упаковки // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 6–2. С. 200–202.
10. Мишурина О. А., Муллина Э. Р., Жерякова К. В., Корниенко Н. Д., Фёдорова Ю. С. Перспективы использования влагопрочного картона и гофрокартона на рынке упаковочных материалов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 6–2. С. 203–205.
11. Муллина Э. Р., Мишурина О. А., Чупрова Л. В., Ершова О. В. Влияние химической природы проклеивающих компонентов на гидрофильные и гидрофобные свойства целлюлозных материалов // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. С. 250.
12. Приготовление клеящих составов [Электронный ресурс]: Строим-Домик / 2010. — Режим доступа: http://stroim-domik.ru/sbooks/book/5/art/
13. Чупрова Л. В., Ершова Л. В., Муллина Э. Р., Мишурина О. А. Инновационный образовательный процесс как основа подготовки современного специалиста // Современные проблемы науки и образования. 2014, № 6, С.864.
14. Чупрова Л. В., Муллина Э. Р., Мишурина О. А., Ершова Л. В. Исследование возможности получения композиционных материалов на основе вторичных полимеров // Современные проблемы науки и образования. 2014, № 4, С.212.
15. Mishurina O. A., Mullina E. R., Chuprova L. V., Ershova O. V., Chernyshova E. P., Permyakov M. B., Krishan A. L. Сhemical aspects of hydrophobization technology for secondary cellulose fibers at the obtaining of packaging papers and cardboards // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Т. 10. № 24. С. 44812–44814.