1. Введение

Производство картона в Российской Федерации демонстрирует устойчивый рост на протяжении последних двадцати пяти лет. Согласно данным Федеральной службы государственной статистики, объём производства картона увеличился с 1 985,5 тыс. тонн в 2000 году до 5 800 тыс. тонн в 2025 году, что составляет рост более чем в 2,7 раза [1]. Основными драйверами данного роста являются развитие интернет-торговли, экспансия логистических служб и последовательный переход на экологичные виды упаковки. Особенно значительный скачок производства — почти на 2,5 млн тонн — зафиксирован в период 2010–2020 годов, что коррелирует с ростом сектора гофроупаковки и транспортной тары. К 2024–2025 годам производство тарных картонов и упаковочных материалов превысило 5,8 млн тонн, причём более 70 % картона производится из вторичного макулатурного сырья [1, 2].

Увеличение объёмов производства и повышение скоростных режимов работы оборудования предъявляют качественно новые требования к клеевым составам. Среди ключевых требований: высокая начальная липкость, обеспечивающая первичное схватывание на высокоскоростных линиях; минимальное время отверждения; формирование жёсткой и геометрически стабильной клеевой прослойки; а также достаточные смазывающие свойства для прохождения бумажных лент по направляющим элементам станков [3, 4].

Цель настоящего исследования — систематизация патентных и научно-технических данных о клеевых составах для картонно-навивных производств, выявление преимуществ и ограничений существующих решений, а также обоснование перспективности композиций на основе поливинилового спирта и каолина для дальнейшей разработки отечественного клеевого продукта.

Задачи исследования:

1. Провести анализ патентных источников по клеевым композициям для картонно-навивных производств.

2. Систематизировать типы клеев по компонентному составу и выделить их технологические характеристики.

3. Проанализировать публикации и диссертационные исследования в области адгезионных материалов для целлюлозных подложек.

4. Выявить преимущества композиций на основе ПВС и каолина, а также определить технологические ограничения их применения.

2. Материалы и методы исследования

В работе использован метод систематического обзора патентных источников и научных публикаций за период 2000–2025 годов. Поиск осуществлялся в открытых базах данных: официальный реестр ФИПС, Google Patents, базы патентов СССР, а также в электронных научных библиотеках (dissercat.com, applied-research.ru, science-education.ru, moluch.ru, journals.narfu.ru).

Критерии включения источников:

— релевантность тематике клеевых композиций для картонно-бумажных производств;

— наличие данных о компонентном составе, технологических свойствах и условиях применения;

— публикации на русском и английском языках.

Анализ проведён по следующим параметрам: компонентный состав, заявленные свойства, технологические ограничения, область применения.

3. Результаты патентного анализа

В ходе анализа выявлены четыре ключевых патента, отражающих основные направления разработки клеевых композиций для картонно-навивных производств. Результаты систематизированы в таблице 1.

Таблица 1

Патентованные клеевые композиции для картонно-навивных производств

На основе анализа выделены три основных типа клеевых композиций по компонентной основе:

1. Поливинилацетатные (ПВА/ЭВА) — характеризуются максимальной скоростью первичного схватывания и влагостойкостью шва. Рекомендованы для высокоскоростных линий [5, 7].

2. Поливинилспиртовые (ПВС) — формируют жёсткий полимерный каркас, что способствует удешевлению композиции за счёт снижения доли дорогостоящих синтетических компонентов. Однако требуют строгого контроля температуры приготовления и нанесения [5, 6].

3. Крахмально-декстриновые — отличаются низкой стоимостью и высокой экологично стью, обеспечивают отличную адгезию к целлюлозе. Недостаток — подверженность биопоражению, что требует введения биоцидных добавок [6, 8].

4. Анализ научных публикаций и диссертационных исследований

В научной литературе вопросы клеевых композиций для картонно-навивных производств рассматриваются в контексте реологических свойств, межмолекулярных взаимодействий и технологической стабильности.

Диссертационные исследования:

Петренко Е. С. в диссертации «Квалиметрическая оценка процесса производства картонных навивных гильз» установил влияние реологических свойств клея на геометрию и радиальную жёсткость готовых гильз [9]. Автор выявил прямую корреляцию между вязкостными характеристиками клея и стабильностью геометрических параметров изделия при навивке на высокоскоростном оборудовании.

Абызова Т. Ю. в работе «Клеи строительного и технического назначения, получаемые на основе биомодификации полимеров» рассмотрела механизмы модификации крахмальных и декстриновых суспензий [10]. Показано, что данные подходы могут быть адаптированы для создания экологически чистых клеев с высоким сухим остатком для навивной индустрии.

Керманян Хоссейн в диссертации «Новый композиционный клей для проклейки целлюлозных материалов» исследовал процессы межмолекулярного взаимодействия на границе «картон — адгезив», что позволило обосновать создание клеев с повышенной начальной липкостью и быстрым набором когезионной прочности [11].

Научные статьи в периодических изданиях:

Анализ публикаций [12–15] позволяет выделить следующие закономерности:

— установлена взаимосвязь между химической природой клея (ПВА, крахмал, силикат натрия) и конечной жёсткостью конструкции при торцевом сжатии [12];

— выявлена корреляция между впитывающей способностью макулатурного картона и скоростью полимеризации клеевого шва [13];

— рассмотрены способы модификации клеев структурирующими добавками (бораты, эфиры целлюлозы) для предотвращения коробления картона [14];

— проанализировано взаимодействие клеев с гидроксильными группами целлюлозы макулатурного происхождения [15].

5. Обсуждение: сравнительный анализ типов клеевых композиций

На основе проведённого патентного и литературного анализа все клеевые композиции, применяемые в картонно-навивных производствах, можно разделить на две группы: основные (наиболее распространённые в промышленности) и специализированные (менее распространённые, применяемые для узких задач или постепенно вытесняемые синтетическими аналогами).

5.1 Основные типы клеевых композиций

К основным типам отнесены составы, наиболее широко представленные в патентной литературе и промышленной практике:

1. Поливинилацетатные (ПВА) и сополимеры этиленвинилацетата (ЭВА) обеспечивают максимальную скорость первичного схватывания и влагостойкость шва, что делает их предпочтительными для высокоскоростных линий. Однако высокая стоимость и ограниченная адгезия к макулатурному картону с высоким содержанием золы сдерживают их массовое применение в сегменте вторичного сырья [5, 7].

2. Поливинилспиртовые (ПВС) формируют жёсткий полимерный каркас за счёт образования водородных связей с гидроксильными группами целлюлозы. Отличаются хорошей адгезией, низкой ценой и доступностью. Основные ограничения — критичность к температурному режиму приготовления и нанесения, а также относительно низкая начальная липкость по сравнению с ПВА-системами, что компенсируется введением наполнителей и модификаторов [5, 6].

3. Крахмально-декстриновые композиции отличаются низкой стоимостью, высокой экологичностью и отличной адгезией к целлюлозе. Широко используются в производстве гофрокартона и упаковки. Ключевые недостатки — подверженность биопоражению (требует введения биоцидов), ограниченная водостойкость и относительно низкая скорость отверждения, что затрудняет их применение на скоростном навивочном оборудовании [6, 8, 10].

5.2 Специализированные и менее распространённые типы

Помимо трёх основных групп, в отрасли известны также следующие типы клеев, которые либо применяются для специальных задач, либо постепенно вытесняются синтетическими аналогами:

1. Силикатные (жидкое стекло). Водные растворы силиката натрия или калия. Обеспечивают быстрое схватывание, огнестойкость и низкую стоимость. Однако клеевой шов характеризуется хрупкостью, неводостойкостью и склонностью к миграции щёлочи, что со временем разрушает целлюлозное волокно и вызывает пожелтение бумаги [16, 17]. В чистом виде для качественной упаковки практически не используются, но могут входить в состав комбинированных систем с латексами или цементом для повышения влагостойкости [12].

2. Казеиновые. Природные клеи на основе молочного белка. Отличаются высокой прочностью и эластичностью шва, экологичностью. Основные недостатки — крайне низкая водостойкость, подверженность биопоражению (плесень, бактерии) и высокая стоимость сырья [18]. Раньше широко применялись в бумажной промышленности, но в настоящее время почти полностью вытеснены синтетическими аналогами, сохраняясь лишь как специализированные добавки в некоторых рецептурах [6, 10].

3. Полиакрилатные и бутадиен-стирольные (латексные). Синтетические водные дисперсии. Обеспечивают высокую эластичность и морозостойкость клеевого шва, хорошую адгезию к различным материалам (включая металлизированные и полимерные покрытия) [19]. Основные ограничения — более высокая стоимость по сравнению с ПВС- и крахмальными системами, а также сложность рецептурного состава. Применяются преимущественно для специальных задач, где требуется повышенная гибкость соединения или склейка с нецеллюлозными материалами [14, 15].

5.3 Обоснование выбора композиции ПВС–каолин

Среди рассмотренных типов композиция на основе поливинилового спирта и каолина занимает сбалансированное положение, сочетая:

— технологическую эффективность (регулируемая пенетрация и вязкость);

— экономическую доступность (доступное сырьё, умеренная стоимость);

— экологичность (отсутствие токсичных органических растворителей);

— пригодность к макулатурному сырью (хорошая адгезия к высокозольному и высоковпитывающему картону).

Каолин в данном случае выполняет роль активного наполнителя, позволяя контролировать пенетрацию и снижая усадку клеевого слоя. Патентный анализ [20, 21] подтверждает, что применение каолина с определённым гранулометрическим составом позволяет предотвращать сквозное пропитывание (strike-through) и формировать жёсткую геометрически стабильную конструкцию втулок и гильз.

5.4 Технологические ограничения композиций ПВС–каолин

Несмотря на преимущества, выявлены следующие проблемы, требующие дальнейшей проработки:

1. Критичность к дисперсности каолина. Требования к гранулометрическому составу (не менее 70 % частиц крупнее 2 мкм) налагают жёсткие ограничения на входной контроль сырья. Использование некондиционного каолина приводит к ухудшению свойств клея [20].

2. Риск седиментации при хранении. Присутствие каолина в водной полимерной среде создаёт риск осаждения частиц, что требует разработки стабилизирующих добавок или регламентации режима перемешивания перед применением [21].

3. Риск агломерации. Несоблюдение температурного режима приготовления (растворение ПВС при 78–90°C, последующее охлаждение до 40°C) приводит к образованию неоднородной массы с комками, причём каолин может выступать как дополнительный центр для агломерации [21].

4. Взаимодействие с другими компонентами. Каолин может вступать в специфическое взаимодействие с кислыми группами в составе полимерной матрицы, что требует корректировки pH среды и временных параметров желатинизации [22].

6. Заключение

На основе проведённого анализа патентных источников и научной литературы можно сделать следующие выводы:

1. Объёмы производства картона в РФ достигли 5,8 млн тонн, более 70 % которых приходится на вторичное макулатурное сырьё, что актуализирует разработку клеевых систем, адаптированных к высокозольному и высоковпитывающему картону [1, 2].

2. Патентный анализ выявил три основные группы клеевых композиций (ПВА/ЭВА, ПВС, крахмально-декстриновые), каждая из которых имеет как преимущества (скорость схватывания, жёсткость, экологичность), так и ограничения (влагостойкость, биопоражение, температурная чувствительность) [5–8]. Также идентифицированы специализированные типы — силикатные, казеиновые и латексные, применяемые для узких задач [12, 16–19].

3. Композиции на основе поливинилового спирта и каолина представляются наиболее сбалансированным решением для картонно-навивных производств, обеспечивая сочетание регулируемой пенетрации, высокой адгезионной прочности и экономической доступности сырья. [20, 21]. Также можно особо выделить экологический аспект: использование каолина как природного наполнителя в составе клея исключает применение дорогстоящих синтетических модификаторов и снижает экологическую нагрузку на всех этапах жизненного цикла продукции — от производства до утилизации картонных втулок и гильз.

4. Выявлены ключевые технологические ограничения, требующие дальнейших исследований: контроль гранулометрического состава каолина, предотвращение седиментации и агломерации, оптимизация температурных режимов приготовления, срок годности готового состава [20–22].

Перспективы дальнейших исследований включают:

— разработку оптимальной рецептуры и технологии производства ПВС-каолинового клея для конкретных марок отечественного или импортного макулатурного картона;

— подбор стабилизирующих добавок для повышения срока хранения;

— оптимизацию технологического регламента приготовления и нанесения клея.

Альтернативным направлением может рассматриваться замена слоистого каолина на аморфные гидросиликаты алюминия. Как показывают данные для родственных полимерных систем, использование аморфных алюмосиликатов позволяет не только регулировать пенетрацию клея, но и увеличивать адгезионную прочность за счёт развитой удельной поверхности и специфического взаимодействия с гидроксильными группами целлюлозы [22]. Данное направление требует отдельной экспериментальной проработки и может стать основой для последующих публикаций.

Литература:

1. Федеральная служба государственной статистики. Промышленное производство (годовые данные) [Электронный ресурс]. — URL: https://rosstat.gov.ru/storage/mediabank/pril_year15.xls (дата обращения: 29.08.2026)
2. Бумажный цикл: из отходов в ресурсы [Электронный ресурс]. — URL: https://upackunion.ru/novosti/bumazhnyj-czikl-iz-othodov-v-resursy/ (дата обращения: 29.08.2026)
3. Коммерсантъ. Статья о картонной упаковке [Электронный ресурс]. — URL: https://www.kommersant.ru/doc/1402012 (дата обращения: 29.08.2026)
4. Коробок. История картона [Электронный ресурс]. — URL: https://www.korobok.ru/katalog_fefco/stati/istoriya_kartona/ (дата обращения: 29.08.2026)
5. Патент RU 2572979 C2. Улучшенная клеевая композиция [Электронный ресурс]. — URL: https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2572979&TypeFile=html (дата обращения: 29.08.2026)
6. Патент RU 2106379 C1. Состав для склеивания картона [Электронный ресурс]. — URL: https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2106379&TypeFile=html (дата обращения: 29.08.2026)
7. Патент RU 2428448 C2. Клеевая композиция для производства многослойного картона [Электронный ресурс]. — URL: https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2428448&TypeFile=html (дата обращения: 29.08.2026)
8. Патент RU 2408643 C2. Клеевая композиция [Электронный ресурс]. — URL: https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2408643&TypeFile=html (дата обращения: 29.08.2026)
9. Петренко Е. С. Квалиметрическая оценка процесса производства картонных навивных гильз: дис.... канд. техн. наук [Электронный ресурс]. — URL: https://www.dissercat.com/content/kvalimetricheskaya-otsenka-protsessa-proizvodstva-kartonnykh-navivnykh-gilz (дата обращения: 29.08.2026)
10. Абызова Т. Ю. Клеи строительного и технического назначения, получаемые на основе биомодификации полимеров: дис.... канд. техн. наук [Электронный ресурс]. — URL: https://www.dissercat.com/content/klei-stroit