Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ БУМАГИ-ОСНОВЫ

Мишурина О.А. 1 Муллина Э.Р. 1 Ершова О.В. 1 Чупрова Л.В. 1 Пинчукова К.В. 1 Корниенко Н.Д. 1 Лыгина Е.Г. 1
1 Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
В работе представлены результаты исследования структуры и свойств картона-основы, используемого в производстве упаковочного склеенного картона. Проведен анализ качества исходного сырья по химическим, физическим, механическим и влагопрочностным показателям. Рассмотрено влияние композиционного состава по волокну на прочностные свойства и впитывающую способность картона-основы. Представлены результаты анализа влияния впитывающей способности на процесс адгезии. Дан анализ полученных результатов по прочностным и впитывающим характеристикам. Установлена зависимость между показателями впитываемости и адгезионными свойствами склеиваемых образцов картона, а также их влияние на расход клея. Рассмотрены требования, предъявляемые к капиллярно-пористой структуре бумаги-основы при различных способах ее обработки. Исследовано влияние впитывающей способности и адгезионных свойств исходного волокнистого сырья на композиционную устойчивость образцов склеенного картона. Представлен анализ сорбционной способности катионных и анионных проклеивающих материалов волокнами целлюлозы. Рассмотрено влияние природы, способа обработки и состояния поверхности волокна на эффективность проклейки бумаги-основы. Предложена технология химической модификации поверхности целлюлозных волокон катиономодифицированными формами крахмала, с целью улучшения процесса адгезии при получении многослойных упаковочных материалов.
картон-основа
качество
сырье
свойства
адгезия
впитывающая способность
проклейка
1. Вайсман Л.М. Структура бумаги и методы ее контроля / Л.М. Вайсман. – М.: Лесная промышленность, 1973. – 152 с.
2. Все о модифицированных крахмалах [Электронный источник]: – Режим доступа: http://kmv.com.ua/vse %20o %20mod1.html.
3. Гурьев А.В. [Электронный источник]: Практикум по технологии бумаги: Учебное пособие.– Режим доступа: http://wood.nglib.ru/book_view.jsp?idn=006673&page =4&format =free.
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. Технологические решения по улучшению качества адгезии склеиваемых картонов // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1. – С. 306.
6. Иванов С.Н. Технология бумаги / С.Н. Иванов. – М.: Лесная промышленность, 1970. – 700 с.
7. Мишурина О.А., Ершова О.В., Чупрова Л.В., Муллина Э.Р. Технологические решения по производству упаковочного картона с улучшенными влагопрочностными свойствами // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2–19. – С. 4166–4170.
8. Мишурина О.А., Жерякова К.В., Муллина Э.Р. Химические аспекты влияния гидрофильных и гидрофобных компонентов на эффективность проклейки бумаги // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 6–1. – С. 83–85.
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. Фляте Д.М. Технология бумаги: учеб. для вузов. – М.: Лесная промышленность, 1988. – 440 с.

Сорбционные бумаги-основы напрямую зависят от впитывающей способности целлюлозной основы. Структура и свойства волокнистой основы определяются композиционным составом по волокну, а также количеством проклеивающих и наполняющих веществ, используемых в технологии изготовления целлюлозной композиции [1, 9, 12].

Для достижения тех или иных необходимых свойств картона пользуются следующими методами: подбором исходных волокнистых полуфабрикатов, т.е. составлением композиции бумаги и картона по виду и происхождению волокон; изменением технологических режимов одного или нескольких основных процессов бумажного производства (массного размола, отлива, сушки); введением в бумажную массу различных добавок (минеральных наполнителей, красителей, дефлокулянтов, проклеивающих и других веществ); отделкой бумаги или картона, включая операции каландрирования, крепирования, гофрирования, тиснения, армирования, покрытия синтетическими пленками и др.; обработкой поверхности бумаги или картона химикатами (поверхностная проклейка, пропитка различными составами, окраска, мелование, пластификация, лакирование, обработка минеральными реагентами) [7, 10].

Наиболее эффективным способом решения вопроса влагопрочности является проклейка в массе на бумагоделательной или картоноделательной машине, когда вещества вводятся в бумажную массу. Проклейка в массе осуществляется введением раствора проклеивающих веществ в волокнистую суспензию, находящуюся в бассейне. При этом проклеивающие вещества распределяются по всей толщине бумаги.

Для придания бумаге специфических сорбционных свойств применяются различные виды проклеивающих веществ, которые сообщают бумаге необходимую водостойкость. Наиболее широкое применение в процессах гидрофобизации находят крахмала и его модификации. Это связано как с его уникальными функциональными свойствами, так и низкой стоимостью и экологической чистотой. Кроме того, возможность различной модификации крахмала позволяет варьировать сорбционными свойствами бумаги-основы [4–6, 8].

Катионный крахмал. Положительно заряженная функциональная группа на поверхности крахмала при введении в волокнистую суспензию нейтрализует отрицательный заряд поверхности молекул целлюлозы, в результате поверхность бумаги становится нейтральной – гидрофобной. Данные модификации крахмала находят наиболее широкое применение в производстве бумаги и картона.

Анионный крахмал. Содержит отрицательно заряженные группы, которые снижают фиксацию его частиц на поверхности целлюлозы. Поэтому данная модификация крахмала преимущественно используется в качестве связующего материала.

В последнее время появляется информация об использовании различных видов комбинаций модифицирования крахмала, что позволяет дополнительно увеличить механическую прочность бумаги, экономить химикаты, повысить удержание волокна на формующей части бумагоделательной машины. Катионно-анионный крахмал. Молекулы катионного крахмала, добавленные в суспензию целлюлозной массы, могут сцепляться с анионными от природы волокнами целлюлозной массы силами электростатического притяжения и, таким образом, удерживаться во влажном волокнистом материале и оставаться в конечной бумаге или картоне [2, 3, 11, 12].

Основной целью работы являлось изу чение возможности получения бумаги-основы с заданными сорбционными свойствами при использовании в качестве основного волокнистого полуфабриката волокон вторичной целлюлозы.

Методика. При реализации экспериментов применялись стандартные и общепринятые методы оценки свойств нативных и модифицированных крахмалов: электрофоретический, микроструктурный, вискозиметрический; для определения качества получаемых образцов продукции использовали физико-механические, химические и сорбционные методы анализа. Процессы адгезии рассматривались на примере процессов получения образцов склеенного картона.

Основным направлением в решении поставленных задач было установление эффективных показателей впитываемости бумаги-основы, при которых достигается повышенная гидрофобность целлюлозного материала и его высокая адгезионная способность при создании различных видов композиционных материалов (получение склеенного картона).

В работе в качестве катионной добавки (катионита) использовался хлорид фениламмония, катион которого за счет образования связи по донорно-акцепторному механизму имеет ярко-выраженный положительный заряд.

Общая схема процесса катионирования крахмала имеет вид:

mihur1.tif

Согласно представленной схеме присоединение катионита, содержащего аммониевую группу к крахмалу, осуществляется посредством образования простой эфирной связи, в результате чего крахмал приобретает положительный заряд.

Определение изменения заряда поверхности частиц крахмала при введении катионного модификатора осуществляли по двум методикам:

– окрашивание полярными красителями;

– определение дзета-потенциала частиц коллоида методом электрофореза.

Суть методики окрашивания полярными красителями заключается в том, что в результате модификации крахмальные зерна приобретают отрицательный или положительный заряд, в результате чего они могут окрашиваться полярными красителями. В исходном природном крахмале имеются разнообразные функциональные группы, несущие заряд (-Н, -ОН, -СОН, -СООН и др.), на которых способны адсорбироваться молекулы ионных красителей. На основании полученных данных было установлено, что исходный крахмал, используемый в работе, имеет отрицательный заряд.

Методика определения дзета-потенциала методом электрофореза. Крахмальная суспензия обладает электрокинетическим зарядом. Дзета-потенциал определяли методом движущейся границы. Он основан на измерении скорости перемещения в электрическом поле границы раздела между золем и другой (боковой) жидкостью. Для этого в нижнюю часть U-образной трубки помещают окрашенный коллоидный раствор, а в верхнюю боковую часть – бес цветную жидкость, в которую погружены инертные электроды. Подключая электроды к источнику постоянного тока, наблюдем за перемещением границы раздела золь – боковая жидкость.

Согласно полученным результатам установлено, что при введении катионита массовой долей до 10 % происходит нейтрализация отрицательного поверхностного заряда частиц крахмала (достигается изоэлектрическая точка состояния). При дальнейшем введении катионита наблюдается медленная перезарядка частиц крахмала.

При определении эффективного объёма катиономодифицированного крахмала в волокнистую суспензию, необходимо помнить, что серьёзным недостатком применения катионного крахмала является ограничение его количества. Не следует до­пускать значительной перезарядки поверхности целлюлозы, так как это приведет к резкому снижению производительности мокрой части бумагоде­лательной машины. Поэтому в работе экспериментальным путем была определена «катионная потребность» исследуемой целлюлозной массы – а именно макулатуры различных марок картона и гофрокартона.

«Катионная потребность» целлюлозной массы зависит от вида и структуры волокнистого сырья, а также от рН раствора и фонового состава электролитов, так как катионный крахмал выполняет двойную роль, служит полиэлектролитом для снижения отрицательного заряда поверхности волокна и одновременно полимером-фиксатором анионных загрязнений.

Согласно полученным результатам эффективное содержание катионита (при равных объемах вводимого крахмала) находятся в пределах 12–16 % для данного вида целлюлозного волокна.

Анализ эффективности процессов адгезии образцов картона без предварительной гидрофобизации показал, что расслаивание происходит без разрушения целлюлозной поверхности, что обусловлено глубоким проникновением клея в структуру основы, вследствие чего на поверхности остаётся количество адгезива, недостаточное для композиционной устойчивости материала. Тогда как в случае расслаивания гидрофобизированных образцов наблюдается частичное разрушение целлюлозной поверхности по волокну, что указывает на более эффективное сцепление адгезива с целлюлозной основой.

Выводы

1. На основании проведенных исследований установлено влияние прочностных и сорбционных показателей бумаги-основы на ее адгезионные свойства при получении образцов склеенного картона.

2. Предложена технология химической модификации поверхности целлюлозных волокон катиономодифицированными формами крахмала с целью улучшения процесса адгезии при получении многослойных упаковочных материалов.

3. Установлено, что технология гидрофобизации бумаги-основы (в массе) катиономодифицированными крахмалами эффективна для получения упаковки с улучшенными прочностными и сорбционными свойствами.


Библиографическая ссылка

Мишурина О.А., Муллина Э.Р., Ершова О.В., Чупрова Л.В., Пинчукова К.В., Корниенко Н.Д., Лыгина Е.Г. ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ БУМАГИ-ОСНОВЫ // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 11-2. – С. 157-160;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35692 (дата обращения: 03.12.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074