Исследование прочностных свойств многослойных целлюлозных композиционных материалов для упаковки

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена исследованию прочностных свойств многослойных целлюлозных композиционных материалов для упаковки. Описан процесс получения лабораторных образцов тары из бумаги и картона. Для производителя это означает правильный выбор компонентов и целенаправленную подготовку композиции массы на предприятии, позволяющую максимально использовать потенциал исходных полуфабрикатов.

ABSTRACT

The article is devoted to the study of the strength properties of multilayer cellulose composite materials for packaging. It is described the process of obtaining laboratory samples of containers from paper and cardboard. For the manufacturer, this means the right choice of components and targeted preparation of the composition of the mass at the enterprise, which allows to maximize the potential of the initial semi-finished products.

Ключевые слова: тара, бумага, картон, упаковка, целлюлоза, композиционных материалы.

Keywords: container, paper, cardboard, packaging, cellulose, composite materials.

Введение. За годы независимости Республики Узбекистан особое внимание уделяется комплексной переработке волокнистого сырья до готового изделия. В Республике выполнены определенные работы по созданию бумажной и картонной продукции с использованием местного сырья. Задачи освоения принципиально новых видов продукций и технологий, обеспечение конкурентоспособности национальных товаров на внутреннем и внешнем рынках указаны в Стратегии действий по пяти приоритетным направлениям развития Республики Узбекистан в 2017-2021 годах [1]. В этой связи уделяется большее внимание повышению производства бумаги, картона, целлюлозно-композиционных материалов с использованием местных волокнистых отходов и обеспечению конкурентоспособности продукции путем усовершенствования материально-технической базы.

В мировой практике особое значение приобретает совершенствование исследований по созданию бумажной продукции из альтернативного и вторичного сырья. В этом направлении проведение целевых научных исследований по созданию технологии получения новых видов бумаги и картона с удовлетворительными физико-механическими свойствами с использованием волокнистых отходов, образующихся на промышленных предприятиях с целью экономия дорогостоящего целлюлозного сырья, установление теоретических основ и закономерностей взаимодействия различных волокон между собой, с полимерами являются важными задачами [2].

Добавление в бумажную массу отходов текстильной и химической промышленностей позволит решить проблему эффективного и рационального использования сырьевых ресурсов, сэкономить дорогостоящую хлопковую целлюлозу, что приводит к снижению себестоимость бумаги, значительно сократить потребность в завозе бумаги извне.

Как известно, в Республике Узбекистан ежегодно выпускается более 14 тыс. тонн синтетического ПАН−волокна «нитрон», которое вырабатывается из тройного сополимера (92,5% акрилонитрила, 6,0% метилакрилата, 1,5% итаконовой кислоты) мокрым роданидным способом в виде штапельного волокна и жгута. При этом 25% выпускаемых волокон используется в народном хозяйстве республики, остальные 75% экспортируются [3].

Нитрон широко используется в производстве текстильных полотен, пряжи, трикотажных изделий, применяющихся для изготовления верхнего трикотажа, ковров, плательных и костюмных тканей. В производстве из-за нарушений в технологическом регламенте, при пуске и наладке оборудования, а также по другим причинам накапливается определенное количество брака – отходов ПАН–волокна. Использование отходов хлопкоочистительной и текстильной промышленности поможет решить также важную экологическую проблему утилизации этих отходов. Следовательно, одним из направлений экономики сырьевых ресурсов и охраны окружающей среды является повышение уровня использования вторичных ресурсов взамен первичного сырья [4].

Экспериментальное исследование. Данная работа посвящена получению многослойной тары из бумаги и картона на основе хлопковой целлюлозы, отходов синтетического волокна и вторичного сырья и изучению их физико-механических показателей. Исследование формования многослойной тары из бумаги и картона (в том числе и с использованием отходов вторичных полуфабрикатов) является актуальной задачей.

Для обеспечения прочного сцепления волокнистой массы, придания влагопрочности, способности бумаги сохранять прочность как в увлажненном, так и в сухом состояниях в бумажную массу вводится проклеивающее вещество. В настоящее время широкое применение для проклейки бумаги находят вещества на канифольной [5] основе, а также синтетические проклеивающие вещества [6].

Изготовление опытных образцов бумаги и оценку их качества проводили в испытательном центре по целлюлозе, бумаге, картону и изделиям из них бумажной фабрике «Angren PAK» по утвержденному технологическому регламенту. Изготовление образцов с плотностью 120 г/м², производили обычном способом на лабораторном листоотливном аппарате «Werkstoff Prüfmaschinen» (Германия). При проведении исследований в бумажную массу вводился проклеивающее вещество в количестве 1,5% от обычней бумажной массы. Для получения лучшего эффекта проклейки необходимо поддерживать рН бумажной массы на уровне 4,5-5,0, для чего в качестве осаждающего реагента применялся сернокислый глинозем.

Многослойная тара из бумаги и картона содержит по два слоя: первый слой, обладает хорошими свойствами поверхности и прочностью; второй слой предназначен для обеспечения картона объемностью, отличающийся тем, что второй слой содержит 30-70 масс.%. Первый волокнистый слой содержит беленую хлопковую целлюлозу (ХЦ) с добавлением отходов синтетического волокна (ОСВ) нитрона, второй волокнистый слой содержит вторичного сырья макулатуры (ВСМ), являющуюся отходом картонного производства или их смесь.

В данной работе с целью придания бумаге необходимой механической прочности нами вместо канифольного клея в качестве проклеивающего вещества применены акриловая эмульсия и раствор продуктов алькоголиза вторичного полиэтилентерефталата (ВПЭТ) с диэтиленгликолем (ДЭГ).

Были использованы три вида продуктов алкоголиза ВПЭТ, полученные следующим образом: алкоголиз проводили в четырёх горлой колбе, снабженной механической мешалкой, обратным холодильником, термометром, капилляром для барботирования инертного газа. В колбу загружали на 1 элементарное звено (эл. звено) измельченных ВПЭТ и ДЭГ. При энергичном перемешивании температуру добавили до 220±5⁰С и выдерживали 6 часов. После завершения времени алкоголиза все три соотношения условно обозначали: соотношения ВЭПТ и ДЭГ 1:2 эл.звено/моль (образец №1); соотношения ВЭПТ и ДЭГ 1:3 эл.звено/моль (образец №2); соотношения ВЭПТ и ДЭГ 1:4 эл.звено/моль (образец №3); и акриловая эмульсия АЭ (образец №4);

Для определения прочностных характеристик целлюлоза размалывалась до степени помола 40-55 °ШР для верхнего слоя и 48-50 °ШР для нижнего слоя. Из размолотой целлюлозы изготовлялись отливки массой 150 г/м² (верхний слой 60 г/м², нижний слой 90 г/м².) (табл.1).

Нами проведены две серии опытов. В первой серии опытов использовали композицию бумажной массы: хлопковая целлюлоза + отходы синтетического волокна + вторичное сырьё макулатуры и добавили в бумажную массу экспериментальные (ВПЭТ) проклеивающие вещества в количестве 1,5%. Во второй серии опытов использовали следующую композицию массы соединяемых слоев: хлопковая целлюлоза + отходы синтетического волокна + вторичное сырьё макулатура (МС-2А) и добавили в бумажную массу экспериментальные (ВПЭТ) проклеивающие вещества в количестве 2%.

Таблица 1.

Варианты композиционного состава двухслойных отливок

Изучена зависимость физико-механических свойств бумаги от природы и количества компонентов в композиции. Для достижения данной цели была проведена комплексная оценка взаимосвязи анизотропии структуры с характеристиками прочности тарного картона.

Таблица 2.

Зависимость физико-механических свойств экспериментальных бумаг и картона от состава композиции

Примечание: Числитель - бумага на основе ХЦЛ (80%), ОН (20%) и проклеивающие вещества 1,5%

Знаменатель - бумага на основе ХЦЛ (80%), ОН (20%) и проклеивающие вещества 2%

Сравнение полученных показателей позволяет сделать вывод (табл. 2), что в целом  при использовании ВЭПТ и ДЭГ 1:2 эл.звено/моль №1 [4] разрывная длина на ~19%, сопротивление продавливанию на ~64% и показатель излома на ~28% улучшились по сравнению с бумагой, проклеенной ВЭПТ и ДЭГ 1:3 эл.звено/моль.

При использовании ВЭПТ и ДЭГ 1:2 эл.звено/моль №1 разрывная длина на ~16%, сопротивление продавливанию на ~69% и показатель излома на ~33% улучшились по сравнению с бумагой, проклеенной ВЭПТ и ДЭГ 1:4 эл.звено/моль №3.

Наиболее высоким сопротивлением излому отличается бумага, состоящая из прочных, гибких и прочно связанных между собой волокон. Акриловая эмульсия даёт возможность получить бумагу более прочную по сопротивлению излому, чем ВЭПТ и ДЭГ 1:4 эл.звено/моль №3. Разрывная длина на 25%, сопротивление излому на ~35% улучшаются по сравнению с проклеенными ВЭПТ и ДЭГ 1:4 эл.звено/моль №3 клеем. Видимо этому способствует высокая гибкость макромолекул полиметилакрилата.

Аналогичные исследования физико-механических свойств были проведены для бумаги, содержащей акриловую эмульсию в качестве проклеивающего вещества. Введение акриловую эмульсию для проклейки бумаги положительно влияет на качество упаковочной бумаги. При сравнении показателей (табл. 2) видно, что разрывная длина бумаги, отлитой из смеси ХЦЛ-ОН, взятой в соотношении 80:20, с введением акриловую эмульсию увеличивается на ~25% по сравнению с проклеенными ВЭПТ и ДЭГ 1:3 эл. звено/моль образец №2.

Сравнение показателей двухслойных бумаг и картона показывает, что использование в качестве проклеивающего вещества образец №1 приводит к увеличению наиболее высоких показателей разрывной длины, сопротивление излому, продавливанию и раздиранию. Наблюдаемое можно объяснить, по всей вероятности, с увеличением средней молекулярной массы продукта алкоголиза вторичного полиэтилентерефталата при снижении молярной доли ДЭГ взятого для алкоголиза. Данные таблицы 2 показывают, что наилучшие прочностные показатели имеют двухслойная бумага и картон, в котором в качестве проклеивающего вещества использована акриловая эмульсия. Следовательно, дальнейшие исследования должны быть направлены на получение продуктов алкоголиза вторичного полиэтилентерефталата, водные эмульсии которых придавали бы бумаге и картону аналогичные прочностные показатели как акриловая эмульсия.

В этой связи полученные результаты прочностных свойств экспериментальных бумаг можно считать положительными. Введение в бумажную композицию акриловую эмульсию улучшает механическую прочность бумаги за счет улучшения формирования бумаги, которая имеет более равномерный просвет, снижается ее разносторонность.

Выводы. Использование отходов текстильной промышленности в составе композиции бумаги позволяет нивелировать целый ряд объективных причин, затрудняющих возможность производства многослойной бумажной продукции, решить проблему упаковочных бумаг для широкого потребления. На наш взгляд другим источником улучшения физико-механических свойств бумаги с введением химических волокон является использование полимерных проклеивающих веществ в составе бумажной композиции.

Список литературы:
1. УП №-4947 от 7 февраля 2017 года «О Стратегией действий дальнейшему развитию Республики Узбекистан».
2. Фляте, Д.М. Свойства бумаги. Изд. 3-е. –М.: Лесн. пром-сть, 1986. −680 с.
3. Хамраев Н.Х. Таркибида пахта-нитрон толалари тенг, ниқобланган тӯқималарни гул босишга тайёрлаш технологиясини ишлаб чиқариш. Дисс. на соис. уч. степ. канд. тех. наук. −Ташкент. ТИТЛП. 2005. −116 c.
4. Жураев А.Б. Ненасыщенные полиэфиры на основе полиэтилентрефталат-содержащих бытовых отходов: Автореф. на соис. уч. степ. канд. тех. наук. − Ташкент. ТХТИ. 2008. − 16 с
5. Ешбаева У.Ж., Рафиков А.С и Джалилов А.А. Бумага с введением синтетических полимеров. Монография. –Ташкент: Изд.Kamalak. 2018. − C.208
6. Ешбаева У.Ж., Рафиков А.С. и др. ПАТЕНТ UZ. IAP 0462227.Бумажная масса. 2012. Бюл. №11.