Анализ поверхностной обработки композиционной упаковочной бумаги и картона

АННОТАЦИЯ

 В статье рассмотрены возможности анализа качества поверхности композиционных видов бумаги и картона с применением микроскопии. Показано, что микроскопический анализ поверхности композиционной бумаги и картона дает объективную характеристику равномерности распределения различных материалов. Данный метод прямого анализа поверхности упаковочных видов бумаги и картона может в перспективе рассматриваться как метод оперативного контроля процессов поверхностной обработки различных материалов.

ABSTRACT

In article are considered the possibilities of the analysis of quality of a surface of composite types of paper and a cardboard with application of microscopy. It is shown that the microscopic analysis of a surface of composite paper and a cardboard gives the objective characteristic of uniformity of distribution of various materials. This method of the direct analysis of a surface of packing types of paper and a cardboard can be considered in the long term as a method of operating control of processes of surface treatment of various materials.

Ключевые слова: гладкость, микроскопия, композиционная упаковочная бумага, белизна, поверхность.

Keywords: smoothness, microscopy, composite packing paper, whiteness, surface.

Введение. В последние годы в Узбекистане активно развиваются бумажная и полиграфическая промышленность. Исследование рынка потребителей полиграфической продукции показало, что наиболее развивающимся видом полиграфической продукции является упаковочная.  К качеству этой продукции предъявляются высокие требования, в особенности по идентичности и точности цветовоспроизведения, т.к. упаковка выполняет не только информационную, но и рекламную функцию [1].

Увеличение объема выпуска упаковочной продукции в Узбекистане делает актуальной проблему производства композиционной бумаги и картона для печати на основе собственного сырья.  В условиях Узбекистана первичные полуфабрикаты для производства целлюлозно-бумажной продукции являются дефицитными и поэтому целесообразно использование вторичных волокон при производстве вышеуказанной продукции. Для улучшения механических и поверхностных свойств композиционных материалов перспективным является использование полимерных проклеек, которые позволяют получить высококачественную продукцию [1-4].

Цель настоящей работы – изучение эффективности применения и влияния поверхностной обработки акриловой эмульсией композиционной упаковочной бумаги и картона, изготовленных из первичных и вторичных полуфабрикатов на прочностные свойства, а также оценка оптических показателей создаваемого материала. Это позволит обеспечить выпуск высококачественной многокрасочной печатной продукции, одновременно решаются экологические проблемы, связанные с необходимостью утилизации отходов текстильного и хлопкового производства.

Экспериментальное исследование. В рамках научных работ по разработке новых композиционных бумаг и картона с использованием вторичных волокнистых полуфабрикатов нами были изготовлены экспериментальные образцы двухслойных бумаг в 4 вариантах. Варианты отличаются соотношением волокнистого состава поверхностного слоя. Изготовление образцов с плотностью ~150 г/м² производили обычном способом на лабораторном листоотливном аппарате «Werkstoff Prüfmaschinen» (Германия). При проведении исследований в бумажную массу вводился проклеивающее вещество – акриловая эмульсия в количестве 1,5% от общей бумажной массы. В данной работе исследовали возможности применения акриловой эмульсии в качестве пленкообразующего полимера в композиции для поверхностной проклейки композиционных бумаг.

Для обеспечения требуемых режимов проклейки необходимо поддерживать рН бумажной массы на уровне 4,5-5,0, для чего в качестве осаждающего реагента применялся сернокислый глинозем [5]. Для изготовления отливок целлюлоза размалывалась до степени помола 40-55 °ШР для верхнего слоя и 21-28 °ШР для нижнего слоя (масса верхнего слоя 60 г/м², нижнего слоя - 90 г/м²). В табл. 1 приведены варианты композиционного состава двухслойных отливок.

Таблица 1.

Композиционный состав экспериментальных бумаг

* ХЦ – хлопковая целлюлоза

** МПАН – модифицированный полиакрилонитрил

*** ВСМ 5В – тип макулатуры

Полученная многослойная композиционная упаковочная бумага содержит два слоя: первый слой обладает хорошими свойствами поверхности и прочностью; второй слой обеспечивает объемность картона. В ходе работы исследовали возможности использования акриловой эмульсий в качестве пленкообразующего полимера в композиции для поверхностной проклейки [4]. Первый волокнистый слой содержит беленую хлопковую целлюлозу (ХЦ) с добавлением модифицированного ПАН−волокна (МПАН) в количестве 0-70% от массы бумаги, второй волокнистый слой содержит вторичное сырьё − макулатуру (ВСМ), являющуюся отходом картонного производства, или их смесь [5]. 

Физико-механические свойства упаковочной бумаги и картона зависят не только от прочности волокон, но и от прочности связи, образованной между ними. При воздействии механической нагрузки разрушаются в большинстве случаев не сами волокна, а связи между ними [6].

Адгезия полимерного покрытия к композиционной упаковочной бумаге и картону обеспечивается за счет сил механических зацеплений. В результате поверхностной обработки клеящее вещество проникает в поры материала, заполняя таким образом пустоты. Это, в свою очередь, способствует уменьшению степени свободы и гибкости волокон, а также приводит к более сильному механическому их сцеплению друг с другом [7-8].

Таблица 2.

Показатели механических и оптических свойств экспериментальных бумаг

Примечание: Числитель - проклеивающее вещество в бумажной массе;

Знаменатель - проклеивающее вещество в бумажной массе и

односторонняя поверхностная проклейка

Как видно из полученных данных (табл. 2), бумага, поверхностно обработанная акриловой эмульсией, обладает высокой механической прочностью. Прочность бумаги на разрыв и продавливание, в основном, обусловлено межволоконными силами связи. Анализируя данные таблицы, можно отметить, что с увеличением в композиции бумаги отходов модифицированного ПАН волокна до 20%, физико-механические свойства по всем показателям возрастают на ~25-30%. Максимальную прочность имеет бумага после односторонней поверхностной проклейки, проводившейся связующим с его концентрацией 7,0 г/м². Все образцы бумаги имеют достаточно высокие показатели белизны, удовлетворяющие требованиям многокрасочной печати (ГОСТ 7690).

Для имитации процесса поверхностной проклейки и получения образцов использовали современную лабораторную установку для поверхностной проклейки/нанесения покрытий, оснащенную различными узлами нанесения и шаберами (пленочный пресс, дозирующий стержень, лезвие). Испытания образцов проводили по стандартным методикам.

Анализ полученных данных показывает, что использование акриловую эмульсию способствует получению прочных композиционных упаковочных материалов и приводит к увеличению механических, оптических показателей и сопротивления продавливанию. В результате образуется плотная структура с большим количеством межволоконных связей.

Основными факторами, влияющими на образование связей между волокнами в композиционной бумаге и картоне, являются механические силы сцепления, водородные связи, природа самих волокон, взаимное расположение волокон, равномерность распределения в массе, наличие примесей. В свою очередь, уплотнение структуры и увеличение когезионной прочности обеспечивает высокую стойкость поверхности бумаги [8-9]. 

Изменение механических и поверхностных показателей во многом будет определяться равномерностью распределения волокон в слоях композиционного материала с покровным слоем и качеством волокнистого сырья. Явления, происходящие при взаимодействии первичных и вторичных волокон и их способность к связеобразованию с покровным слоем композиционной бумаги, являются основой для оптимизации композиции.

Чтобы получить полное представление о взаимосвязи структурных характеристик и бумагообразующих свойств волокон, необходимо комплексное исследование морфологических факторов. Для качественной оценки равномерности и плотности распределения первичных и вторичных волокон в составе бумаги использован микроскопический метод анализа. Микроскопическим методом изучены влияния новых видов волокнистых материалов, используемых в изготовлении композиционной бумаги и картона на качество печатных свойств.  

Рисунок 1. Фрагменты электронных микрофотографий поверхности композиционной упаковочной бумаги:

 до обработки (а) и после обработки (б) раствором акриловой эмульсии

(микрофотографии с увеличением в 200 раз)

При просмотре под электронным микроскопом (рис. 1) видно, что бумага с поверхностной проклейкой имеет более гладкую и однородную поверхность, чем бумага без поверхностной проклейки. При получении бумаги в образовании межмолекулярных водородных связей принимает участие тот полимер, который находится на поверхности.

Анализируя данные, представленные на рис. 1 можно сделать вывод, что тонкие слои акриловой эмульсии, наносимые на поверхность бумаги, обладают значительно более высокими физико-механическими показателями за счет взаимодействия поверхности бумаги с полимерным слоем. При пропитке бумаги покровный слой более глубоко проникает в поры бумаги, лучше склеивает волокна, образует на поверхности бумаги более прочную пленку и способствует уплотнению поверхностной структуры материала.

Для проведения эксперимента этап получения оттисков является самым ответственным, т. к. именно здесь происходит процесс образования изображения. Для оценки качества печати были получены оттиски на офсетной машине Ryobi 780-4 (Япония) с в следующим порядке наложения красок K, C, M, Y с использованием спиртного увлажняющего раствора. Оттиски отпечатаны в условиях типографии издательско-полиграфического творческого дома имени «Г. Гуляма».

Как видно из структуры поверхности композиционной бумаги при печати с жесткой формы, наблюдается более равномерное распределение краски на оттиске, наименьшая глубина проникновения краски и однородность печати. Следует обратить внимание на то, что при сходстве поверхностной структуры, бумажной композиции с обработанной акриловой эмульсии, имеет, равномерность печати и удовлетворяет требованиям стандарта.

Рисунок 2. Фрагменты электронных микрофотографий оттисков, отпечатанных на композиционной упаковочной бумаге:

 до обработки (а) и после обработки (б) раствором акриловой эмульсии (микрофотографии с увеличением в 200 раз)

Обработка бумаг акриловой эмульсией позволяет не только повысить прочностные свойства, но также открывает возможности улучшения печатных свойств материала, создания принципиально новых ее видов. Их обработанная более гладкая поверхность обеспечивает качественную печать и придает готовой продукции привлекательный внешний вид (рис. 2).

Как видно из рис. 2 (а), растровые точки, отпечатанные на необработанной упаковочной бумаге, не воспроизводят требуемую оптическую плотность растровых элементов. На микрофотографии различить отдельные растровые точки можно с большим трудом. Оттиски растровых точек имеют заметные скольжения, изменение размеров печатающих элементов приводит к нарушению градационной точности изображения.

На рис. 2 (б) приведен фрагмент оттиска, отпечатанного на обработанной акриловой эмульсией упаковочной бумаге, где растровые точки не сливаются. Исследования разрешающей способности печати на экспериментальных бумагах показывают, что при печати офсетным способом разрешающая способность зависит от поверхностных свойств, белизны и гладкости бумаги. Использование акриловой эмульсии в процессе поверхностной проклейки упаковочной бумаги и картона преимущественно увеличивает контрастность печати.

Рисунок 3. Фрагменты электронных микрофотографий плашек, отпечатанных на композиционной упаковочной бумаге:

 до обработки (а) и после обработки (б) раствором акриловой эмульсии (микрофотографии с увеличением в 200 раз)

На рис. 3 приведены микрофотографии плашек, отпечатанных офсетным способом печати на композиционных бумагах до и после поверхностной обработки.

Различие в волокнистом составе в значительной степени влияет на размерно-структурные показатели композиционной бумаги и картона. В первую очередь, это влияет на однородность печати плашек и фона, а также на процесс первичного закреплению краски при печати. Однако, при печатании на более гладких поверхностях растекание краски обеспечивает более быстрое закрепление краски и улучшает однородность печати. Однородность печати важен для воспроизведения мелких деталей изображения, т.к. чем меньше толщина слоя, тем меньшие искажения печатающих элементов наблюдаются в процессе печатания. Это важно для воспроизведения мелких шрифтов, т.к. способствует повышению удобочитаемости. Поэтому при выборе бумаги для определенного типа полиграфической продукции большое значение имеют показатели структурных и оптических показателей бумаги. 

Учитывая вышесказанное, можно утверждать, что поверхностная проклейка экспериментальных композиционных бумаг способствует улучшению межволоконных связей, увеличению механической прочности, прозрачности при одновременном увеличении степени белизны, однородности структуры и гладкости [9-10].

Следует обратить внимание на влияние состава комбинированного материала на его прочность и однородность. Выявлено, что материалы, имеющие в составе в качестве проклеивающую композицию водную сополимерную акриловую дисперсию, более устойчивы к впитыванию печатной краски. На основании проведенного комплексного исследования свойств, разработанную композиционную бумагу и картона можно рекомендовать для печати на офсетных машинах.

Выводы. Установлено, что на печатные свойства композиционной упаковочной бумаги значительное влияние оказывает поверхностная обработка. Поверхностный слой многослойной упаковочной бумаги и картона в большей степени улучшает показателей механической прочности и оптических свойств. 

Экспериментально показано, что проклеивающие вещества, входящие в состав поверхностной проклейки, увеличивают белизну, улучшают гладкости и снижают микрошероховатности поверхностного слоя. В целях улучшения механических и поверхностных характеристик рекомендуется использовать акриловую эмульсию.

Учитывая вышеизложенные результаты, можно рекомендовать получаемый композиционный двухслойный материал для печатания упаковочной продукции с высоким качеством полиграфического исполнения способом офсетной печати.

Список литературы:

1. Ешбаева У.Ж. Офсетная бумага с введением синтетических полимеров и ее печатно-технические свойства: Дисс. на соис. уч. степ. док. тех. наук. – Ташкент. ТИТЛП, 2017. -225 с.
2. Ешбаева У.Ж., Рафиков А.С., Джалилов А.А. Бумага из текстильных отходов. Монография. Lambert Academic Publishing.  2018 г. 132 с.
3. Ешбаева У.Ж., Жалилов А.А., Магрупов Ф.А, Жураев А.Б. Исследование прочностных свойств многослойных целлюлозных композиционных материалов для упаковки. UNIVERSIUM: Технические науки Научный журнал. г. Москва. 2019 г. Выпуск: 10 (67) Октябрь 2019. 43-46 стр.
4. Аким Э. Л. Обработка бумаги (основы химии и технологии обработки бумаги и картона). М., 1979.
5. Ершова О. В., Муллина Э. Р., Чупрова Л. В., Мишурина О. А., Бодьян Л. А. Изучение влияния состава неорганического наполнителя на физико-химические свойства полимерного композиционного материала // Фундаментальные исследования. 2014. № 12–3. С. 487–491.
6. Ешбаева У.Ж., Жалилов А.А., Рафиков А.С. Бумага с введением синтетических полимеров. Монография. Издательство “Kamalak”. Ташкент.  2018 г. 13 п.л.
7. Ешбаева У.Ж., Рафиков А.С, Жалилов А.А. Обработка бумаг акриловой эмульсией // Полиграфия. – Москва. −2017 г. − №1. –С.5−6.
8. 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.
9. 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.
10. Свойства целлюлозных волокон и их влияние на физико-механические характеристики бумаги и картона — монография / [Д. А. Дулькин и др.]; под ред. В. И. Комарова; Министерство образования и науки Российской Федерации, Северный (Арктический) федеральный ун-т. Архангельск, 2011.