Склеивание гофрированного и многослойного картона, а также склеивание картонной тары и упаковки производят различными клеями, которые условно можно разделить на жидкие твердеющие клеи, клеи постоянной липкости и клеи-расплавы.
Наибольшее применение в производстве картонной упаковки находят жидкие водные клеи на природной и синтетической основе. Основной химический состав и области применения данных адгезивов представлены в табл. 1 [1, 8, 10].
Клеи на основе крахмала и его производных наиболее широко применяются при склеивании тарного картона. Для приготовления крахмальных клеев используются различные виды крахмала (табл. 2) [1, 9].
В настоящее время гофрокартон склеивают преимущественно клеевой суспензией кукурузного крахмала. Эта суспензия стабилизируется добавкой 10–20 % модифицированного крахмала, подвергнутого щелочной желатинизации. Для снижения чувствительности клеевого соединения к влаге в клей добавляют буру (N2B2O7). Удельная доля такой суспензии в гофрокартоне может колебаться в пределах 8–25 г/м2 – в зависимости от применяемой технологии. Сравнительная характеристика крахмалов, применяемых для приготовления клеевых суспензий представлена в табл. 2 [9].
Основой декстринового клея является декстрин – продукт модификации крахмала. Такой клей имеет значительную силу сцепления – склеивание происходит быстро, что является эффективным при использовании клея на быстроходных упаковочных машинах при изготовлении и склеивании картонных коробок и ящиков [1, 2, 10].
Таблица 1
Жидкие водные клеи на природной и синтетической основе, используемые для склеивания картона и картонной упаковки
|
Наименование |
Компоненты |
Основные свойства |
Назначение |
|
Казеиновые |
казеин, известь, фтористый натрий, медный купорос, керосин и др. |
жизнеспособность до 5 мес., низкая водостойкость |
наклеивание этикеток |
|
Поливинилацетатные |
ПВА-эмульсия, ацетон, дибутилвтолат, карбооксиметилцеллюлоза спирт, этиловый спирт, жидкое стекло и др. |
неводостойкие, быстро схватываются и высыхают |
склеивание коробочного картона, гофрокартона |
|
Мочевиноформальдегидные и меламиноформальдегидные |
МФА смола, МФФ смола, этиловый спирт, вода, молочная кислота, аммоний сернокислый и др. |
низкая водостойкость |
склеивание картонной тары, наклеивание этикеток |
|
Силикатные |
силикат натрия, вода |
высокая водостойкость |
склеивание коробочного, гофрированного и многослойного картона |
|
Крахмальные |
крахмал (кукурузный, пшеничный, картофельный), декстрин, вода, бура, щелочь и др. |
жизнеспособность 2–6 ч., низкая водостойкость |
склеивание картона, многослойного картона и гофрокартона |
|
Латексные |
нитрильные карбоксил-содержащие и дивилстирольные латексы, казеин, вода, карбоксиметилцеллюлоза |
высокая водостойкость |
склеивание коробочного картона |
Таблица 2
Сравнительная характеристика крахмалов, применяемых для приготовления клеев
|
Свойства |
Крахмал на основе: |
|||
|
тапиоки |
пшеницы |
кукурузы |
картофеля |
|
|
Влажность, % |
10–13 |
17–20 |
10–13 |
10–13 |
|
Массовая доля протеинов, % |
0,1 |
0,1 |
0,45 |
0,35 |
|
Массовая доля липидов, % не более |
0,1 |
0,1 |
0,9 |
0,8 |
|
Зольность, % не более |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
0,15 |
|
рН (20 % раствора) |
6–7 |
6–7 |
6–7 |
6–7 |
|
Амилоза, % |
16–18 |
20–22 |
25–28 |
25–28 |
|
Амилопектин, % |
82–84 |
80–78 |
75–72 |
75–72 |
Вязкость адгезивной суспензии должна быть достаточной для удержания зерен крахмала во взвешенном состоянии. Их клейстеризация происходит при прохождении картона по нагретым поверхностям гофрировального агрегата. При этом зерна крахмала забирают воду, благодаря чему повышается вязкость клеевой пленки и ускоряется процесс склейки слоев картона. Содержание крахмала в клее обычно не превышает 20 %, причем 3/4 его от общего количества вводится в виде суспензии.
При изготовлении влагостойкого гофрированного картона применяется крахмальный клей, в состав которого вводится резорцин или мочевиноформальдегидные смолы. Введение в клей 3,5 % резорцина или 5–7,5 % мочевиноформальдегидной смолы обеспечивает получение влагопрочного клеевого шва [1, 4].
Из клеев животного происхождения наибольшее распространение получили клеи на основе казеина (казеиновый, казеиново-крахмальный, казеиновый В-105, «Экстра») с жизнестойкостью 6–12 мес. Казеиновый и казеиново-крахмальный клеи надежно скрепляют картон, бумагу и пергамент, их также часто используют для приклеивания этикеток.
Силикатный клей на основе жидкого силикатного стекла относится к клеям минерального происхождения. В основном его используют для склеивания отдельных слоев гофрированного картона. Химический состав силиката натрия и полученного из него клея зависит от соотношения оплавляемого кварцевого песка и соды, а также от наличия в них примесей [8, 10].
В основном силикатный клей представляет собой тридцатипятипроцентный раствор жидкого стекла, полученный растворением твердого силиката натрия. Качество силикатного клея может быть повышено за счет его модификации – введения различных добавок. Наиболее часто для этих целей используют каолин, казеин, крахмал. Применение клея с добавками по сравнению с обычным силикатным повышает прочность и скорость склейки, жесткость картона, снижает коробление, уменьшает прилипание клея к нагретым поверхностям.
Крахмальный клей имеет ряд преимуществ перед силикатным клеем:
– возможность работы гофрировального агрегата на более высоких скоростях;
– большую прочность склеивания;
– меньшую чувствительность к влажности склеиваемых материалов;
– меньшее осаждение на металлических частях агрегатов;
– возможность работы без последующей обрезки кромки гофрированного картона;
– больший срок службы ножей.
Среди синтетических клеев наибольший удельный вес приходится на клей ПВА – водную дисперсию поливинилацетата (ГОСТ 18992-80 «Дисперсия полифинилацетатная гомополимерная»). Клей ПВА белого цвета, обладает быстрым изначальным схватыванием с образованием эластичной пленки, Его можно применять для склеивания бумаги и картона, Клей ПВА получил наибольшее распространение при автоматизированном склеивании клапанов картонных пачек и коробок (табл. 3) [8].
При изготовлении картонной упаковки применяются клеи на основе латексов, представляющих дисперсии синтетических каучуков. Эти клеи, а также костные клеи применяют при изготовлении клейких лент и этикеток, становящихся клейкими после увлажнения.
Клеи-расплавы часто используются как при изготовлении картонной упаковки, так и в процессе упаковывания разнообразной продукции. Они изготовляются на основе сополимеров этилена с винилацетатом, модифицированных полиолефинов, полиизобутиленов, полиэфиров, сополимеров стирола с бутадиеном и других полимеров, эфиров канифоли и нефтяных парафинов. Клеи-расплавы представляют собой порошкообразные, гранулированные, пастообразные или кусковые (прутки, ленты, полоски и т.п.) композиционные материалы. При повышении температуры до 70–230 °С они переходят в вязкотекучее состояние, характеризующееся повышенной липкостью. В этом состоянии клей-расплав подается с помощью шестеренчатых, плунжерных, шнековых насосов или с помощью специальных пистолетов и клеевых аппаратов. После быстрого соединения поверхностей клей в течение 1–5 с остывает, твердеет и быстро схватывается. Это позволяет обеспечить большую производительность оборудования и высокую прочность склеивания. Кроме этого, клеи-расплавы не содержат в своем составе растворителей. Поэтому процесс склеивания более безопасный в санитарном и противопожарном отношении. Клеи-расплавы универсальны. Их можно использовать для соединения разнородных материалов: картона с полимерами, металлами, бумагой, тканью и т.п. В отличие от других клеев, клеи-расплавы стабильны и могут длительно храниться. Клеевые соединения имеют высокую прочность, устойчивость к влаге, химическим веществам, микроорганизмам, а также к действию низких температур. Клеи-расплавы нашли широкое применение при изготовлении коробок, банок, пакетов, пачек, лотков, ящиков, поддонов и контейнеров.
Таблица 3
Сравнительные характеристики некоторых клеев на основе ПВА
|
Показатели |
Марка ДЭ 51/10 С по ГОСТ 18992-80 |
Wormalit EC 5630 «Henkel», Германия |
Kestomer VPH «Kiilto», Финляндия |
|
Внешний вид |
вязкая жидкость белого цвета |
жидкость белого цвета |
жидкость белого цвета |
|
Массовая доля остаточного полимера, % |
не более 0,48 |
– |
0,1 |
|
Массовая доля сухого остатка, % |
не менее 51 |
не менее 20,5 |
52–55 |
|
рН |
4,7–6,0 |
6,0–7,0 |
4,0–5,0 |
|
Условная вязкость, сек. |
11–40 |
10–12 |
19–35 |
|
Динамическая вязкость по Брукфильду, МПа/сек. |
2000–6000 (20 °С) |
4500 (23 °С) |
4000–8000 (20 °С) |
|
Относительная плотность, кг/дм3 |
– |
1,1 |
1,1 |
Показатели эффективности адгезии склеенных образцов тарного картона при использовании различных клеевых составов
В работе были проведены исследования влияния химической природы клеевых составов на эффективность адгезии образцов склеенного картона.
В качестве исходного целлюлозного сырья использовались образцы картона-основы марки МС-5 (с содержанием макулатуры не более 50 %).
В качестве клеевых составов рассматривались суспензии крахмального клея, силикатного клея и ПВА:
– образец 1: крахмальная суспензия (крахмал кукурузный 20 %; резорцин – 3 %; зольность – 0,2 %; рН – 6,4);
– образец 2: силикатный клей (ГОСТ 13078-81 с добавкой кукурузного крахмала – 5 %);
– образец 3: клей ПВА (поливинилацетат) (ГОСТ 18992-80).
Эффективность адгезии склеиваемых образцов картона оценивалась по методике «Определение сопротивления расслаиванию картона» по ГОСТ 13648.6-86 [3].
Метод заключается в определении усилия, вызывающего разрушение связи в структуре образцов склеенного картона. Характеристиками расслаивания являются сопротивление расслаиванию по площади или по кромке образца и предел прочности при расслаивании.
Полученные результаты исследования представлены на рисунке.
Полученные результаты исследований позволили установить, что клеевые составы на основе крахмала характеризуются максимальными показателями сопротивления расслаиванию и значениями предела прочности при расслаивании. Следовательно, наиболее целесообразно в технологиях получения склеенного картона в качестве клея использовать крахмальные суспензии. При этом следует отметить, что расход и качественно-количественный состав клеевых растворов необходимо разрабатывать с учетом сорбционных свойств используемого исходного целлюлозного сырья [4–7]. В процессе исследования было установлено, что при получении образцов склеенного картона высокие показатели адгезии наблюдаются у образцов с низкими значениями впитываемости.