Спектроскопическое исследование свойств многослойных целлюлозных композиционных материалов для упаковки

Spectroscopic research of properties of multilayered cellulose composite materials for packing
Цитировать:
Джалилов А.А. Спектроскопическое исследование свойств многослойных целлюлозных композиционных материалов для упаковки // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2020. № 5 (74). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/9442 (дата обращения: 31.10.2020).
Прочитать статью:

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена исследованию ИК-спектроскопических и физико-механических показателей многослойных целлюлозных композиционных материалов для упаковки. Описан процесс получения лабораторных образцов упаковки из бумаги и картона. Для производителя это означает правильный выбор компонентов и целенаправленную подготовку композиционной массы и способствует целесообразной утилизации отходов производства.

ABSTRACT

Article is devoted to a research of IR-spectroscopic and physico-mechanical indicators of multilayered cellulose composite materials for packing. There is described Process of receiving laboratory models of packing of paper and a cardboard. It means a right choice of components and the purposeful preparation of composite pulp at the enterprise and promotes expedient recycling of production.

 

Ключевые слова: тара, бумага, картон, упаковка, целлюлоза, композиционный материал.

Keywords: container, paper, cardboard, packing, cellulose, composite material.

 

Введение. Рост мирового спроса на бумагу и картон прогнозируется на уровне 1,6% в год в период до 2025 года. Ожидается, что к 2025 году мировое потребление вырастет до 493 млн. т. бумажной продукции. К 2030 г. ожидается прирост мирового спроса на 30% с 440 млн. т. до 572 млн. т. Мировое производство бумаги превышает 177 млн. т/год. При этом к 2030 году вырастут объемы потребления бумаги санитарно-гигиенического назначения, тарного и упаковочного картона. Ежегодный рост потребления упаковочных материалов и бумагу прогнозируется в районе 2,9% [1].

В настоящее время потребность в бумажной и картонной продукции в Узбекистане составляет порядка 120 тыс. тонн, в целлюлозе - 36 тыс. тонн. Местный печатный рынок потребляет ежегодно около 110 тыс. тонн типографской и офсетной бумаги [2].

Анализ рынка бумаги и картона показывает, что в последнее время наиболее массовыми видами продукции, производство которых непрерывно расширяется во всем мире, являются бумага для упаковки различного назначения. Ее развитие стимулируется постоянно повышающимся спросом на современные упаковочные материалы. В настоящее время основные тенденции развития упаковки для пищевой промышленности в развитых странах и в Узбекистане в целом совпадают. На рынке производства картонной и бумажной упаковки существует огромный ассортимент картона и бумаги. Упаковка на основе бумаги и картона является наиболее экологически чистым современным видом и занимает во всем мире ведущее положение среди всех видов упаковки [3].

Экспериментальное исследование. В этой связи особую актуальность на сегодняшний день приобретают комплексные научные исследования, направленные на разработку двухслойной упаковки из бумаги, верхний слой которой выполнена из первичных волокон и предназначена для печати, нижний слой изготовлен полностью из вторичного сырья. Особенности формования двухслойной упаковки из бумаги и картона (с использованием отходов вторичных полуфабрикатов) является актуальной задачей. 

Древесная целлюлоза является одним из важнейших исходных материалов в бумажной промышленности. Однако, в условиях Узбекистана древесная целлюлоза является дефицитным сырьем, отсутствуют достаточные площади с хвойными и лиственными деревьями. Получение целлюлозы или целлюлозной массы из древесины связано со значительным расходом воды [4].

В Узбекистане нет достаточных запасов древесины, что определяет актуальность производства волокнистых полуфабрикатов из недревесного растительного сырья. Пока в Республике для производства бумаги и картона используют привозную целлюлозу и макулатуру. Но высокая стоимость привозной древесной целлюлозы, и тенденция к ухудшению качества макулатурной бумаги, свидетельствуют о необходимости поиска новых видов целлюлозосодержащего сырья. Для производства целлюлозы важным источником сырья является использование в качестве альтернативного древесной целлюлозе, получаемая из однолетних травянистых и мно-голетних растений. В то же время страна обладает значительными ежегодно возобновляющимися запасами целлюлозосодержащего сырья местных однолетних растений (хлопок, рисовая и пшеничная солома, гуза-пая и.т.д.), пригодных для производства целлюлозы [5].

Хлопок - один из наиболее распространенных видов таких волокон. Из хлопковой целлюлозы изготавливается высококачественная бумага [4]. Эта бумага имеет высокую впитываемость и поверхностную гладкость. Технология изготовления бумаги в промышленных масштабах из чистой хлопковой целлюлозы экономически нецелесообразна. Но добавление в бумажную массу отходов текстильной и химической промышленностей позволит решить проблему эффективного и рационального использования сырьевых ресурсов.

В Республике Узбекистан выпускается синтетическое полиакрилонитрильное (ПАН) волокно «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 около одной четверти выпускаемых волокон используется в народном хозяйстве республики, остальные экспортируются [6].

Однако введение в бумажную массу отходов производства и синтетических волокон приводит к ухудшению физико-механических и печатно-технических свойств бумаги. В Ташкентском институте текстильной и легкой промышленности проводятся исследования по получению бумаги из альтернативного сырья и устранению недостатков при применении синтетических волокон [4]. Цель данной работы – исследование технологии получения и состава многослойной упаковочной бумаги с удовлетворительными свойствами на основе хлопковой целлюлозы и модифицированных отходов химических волокон, с введением канифольного клея.

Для обеспечения прочного сцепления волокнистой массы как в увлажненном, так и в сухом состоянии, нами проведены исследования по введению в бумажную композицию модифицированного ПАН−волокна (МПАН). На кафедре «Химическая технология» ТИТЛП разработана технология получения новых типов модифицирующих агентов на основе отходов натурального шелка, и технология модификации ими волокна нитрон [6].

Свежесформованное ПАН−волокно обрабатывается раствором отходов натурального шелка (ОНШ). Процесс растворения ОНШ осуществлялся следующим образом: отходы шелка тщательно перемешивают с растворителем, состоящим из 25%-ного водного раствора хлористого кальция и глицерина в соотношении 85:15, модуль ванны 1:10. Поднимают температуру раствора до 116 °С и при этой температуре растворяют натуральный шелк без перемешивания в течение двух часов, после чего при интенсивном перемешивании продолжают процесс еще 6-8 часов. Подпитку производили каждые 20 минут раствором отходов натурального шелка с массовой долей 1,25%. Обработанные и сформированные волокна подаются в сушильный агрегат и упаковываются [7].

Получена упаковочная бумага, содержащая два слоя: первый слой, обладающий хорошими поверхностными свойствами и прочностью; второй слой обеспечивает объемность картона. Первый волокнистый слой содержит беленую хлопковую целлюлозу (ХЦ) с добавлением МПАН в количестве 30-70% от массы бумаги, второй волокнистый слой содержит вторичное сырье − макулатура (ВСМ), являющаяся отходом картонного производства, или их смесь.

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 в количестве 1,5% от общей 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 [8]. Для изготовления отливок (табл. 1)  целлюлоза размалывалась до степени помола 40-55 °ШР для верхнего слоя и 21-28 °ШР для нижнего слоя (верхний слой 60 г/м2, нижний слой 90 г/м2).

Таблица 1.

Композиционный состав двухслойных отходов

№ варианта

Композиционный состав

верхнего слоя 40-55 °ШР

нижнего слоя 21-28 °ШР

ХЦ, %

МПАН, %

ВСМ 5Б, %

Образец №1

100

-

100

Образец №2

80

20

100

Образец №3

50

50

100

Образец №4

30

70

100

 

Физико-механические свойства бумаг определены по известным методикам [9].

ИК спектры образцов экспериментальных бумаг записывали в таблетках бромида калия на спектрометре System 2000 FT-IR фирмы Parken Elmer в интервале длин волн 400 -4000 см-1 [10].

ИК-спектроскопические исследования проведены с целью установления наличие взаимодействия между компонентами бумаги (рис. 1).

В ИК–спектрах обнаружены характеристические полосы поглощений целлюлозы [11].

 

Образец №1. 

Образец №2.  

Образец №3.  

Образец №4.  

Рисунок 1. ИК-спектроскопические показатели экспериментальных бумаг

 

Полосы поглощений при 1450 и 1430 см-1 отвечают за деформационные плоскостные колебания ОН-группы. Полоса поглощения при 1429 см-1 в спектре образца №1 соответствует ножничным колебаниям метиленовой группы. В спектре образца №2 этому колебанию соответствует полоса 1420 см-1. Эту полосу поглощения исследователи называют полоской кристалличности (критерий О҆Коннора) [13], так как при аморфизации происходит ослабление поглощения в 1429 см-1.

Полоса поглощения при 1375 см-1 характеризует деформационные колебания связей ОН, СН и веерные колебания СН2 групп, (как правило, с одинаковой интенсивностью для образцов №1 и 2). Поглощение при 1335 см-1 относится к плоскостным к деформационным колебаниям О−Н группы.

Широкая полоса поглощения от 3500 до 3000 см-1, очевидно, относится к группам ОН (или NH), образующим более сильные водородные связи, чем ОН-группы, определяющие эту полосу поглощения. В спектрах составов, содержащих модифицированные ПАН волокна можно заметить следующие изменения. Полоса поглощений валентных колебаний гидроксильных групп в области 3414 см-1 смещается в высокочастотную область примерно на 16 см-1. Видимо, этому способствует появление в системе N–H–связей, карбоксильных групп и изменение характера межмолекулярных водородных связей.

Величина сил водородных связей зависит от числа свободных гидроксильных групп, которая увеличивается по мере раскрытия внешней поверхности волокна. Поэтому на прочность связи волокна в листе оказывает влияние площадь внешней поверхности волоконец целлюлозы. Наличие сильнополярных гидроксильных и карбоксильных групп в образцах, содержащих модифицированные ПАН волокна приводит к образованию наиболее прочных межмолекулярных водородных связей.

При увеличении содержания МПАН волокон площадь контакта между волокнами хлопковой целлюлозы улучшается межволоконные связи и в целом прочность бумаги. Полученные данные показывают, что самые высокие прочностные свойства имеет бумага, верхний слой которой изготовлен из 30% хлопковой целлюлозы, МПАН 70% (образец №4). Как и ожидалось, в композиционной бумаге с увеличением содержания МПАН волокна, механическая прочность улучшается. Это объясняется тем, что используемые МПАН волокна содержат в своем составе гидроксильные, карбоксильные и аминогруппы. Макромолекулы натурального шелка связывается с волокнами нитрона за счет водородных и ковалентных связей. Таким образом образуются ковалентные связи с целлюлозой.

По данным [11], при введении в бумажную композицию, предназначенной для офсетной печати, модифицированных отходов ПАН в количестве 50-70% от волокнистой массы прочность незначительно улучшается (примерно на 3-3,5%).

В этом отношении нижний слой положительно влияет на физико-механические свойства упаковочной бумаги (табл. 2). Свойства бумаги незначительно ухудшается даже при введении 70% отходов синтетических волокон в верхнем слое.

Таблица 2.

Зависимость физико-механических свойств бумаги от природы и количества компонентов в композиции

                                                  Варианты

Параметры                              

1

2

3

4

1

Масса 1 м2 , г

150

150

150

150

2

Толщина, мм

0,26

0,25

0,24

0,26

3

Влажность, %

5,8

5,9

5,7

5,8

4

Гладкость, с

45

45

46

44

6

Зольность, %

5,1

5,8

6,8

7,5

7

Впитываемость, г

151

153

152

155

8

Разрывная длина, м

2635

2650

2710

2720

9

Сопротивление излому, число двойных перегибов, ч.д.п.

80

81

86

88

10

Сопротивление продавливанию, кПа

382

384

385

391

11

Сопротивление раздиранию, мН

280

286

290

293

 

Особенностью двухслойной бумаги является возможность применения добавок для повышения механической прочности тароупаковочной продукции. Так, при использовании образцов добавок с содержанием хлопковой целлюлозы + отходы синтетического волокна изменение впитываемости образцов при одностороннем смачивании находилось в пределах 151-155 г/м2.

Таким образом, выявлена взаимосвязь между составом композиционной бумаги включающих хлопковую целлюлозу + отходы синтетического волокна, вторичного сырья (макулатура) с эффективностью их упрочняющего действия. Применение новых добавок и многослойность влияет на комплекс свойств бумаги и параметры обезвоживания бумажной массы, что требует направленного применения таких добавок для получения бумаги требуемого качества [12].

Полученные результаты согласуются с выводами авторов [13], утверждающих, что главным фактором, определяющим межслоевую прочность картона, является изготовленная из массы, размолотой по вариантам 1 и 3, обладающей по сравнению с другими вариантами, более равномерным фракционным составом по волокну.

Выводы. Использование хлопковой целлюлозы в смесях с добавлением отходов модифицированного ПАН волокна позволяет получить упаковочные материалы с высокими физико-механическими и прочностными свойствами при сохранении высокой способности упаковки к вторичной переработке и более низкой себестоимости. Многослойность обеспечивает возможность положительного регулирования физико-механических свойств упаковочной бумаги.

 

Список литературы:
1. Азиатский рынок: производство и потребление бумаги [Электронный ресурс] – режим доступа /https://compuart.ru/article/23770
2. Ешбаева У.Ж. Печатно-технические свойства новых видов бумаг, содержащих химические волокна. Дисс.на соис. уч. степ. канд.тех.наук. Ташкент. ТИТЛП. 2008. с.130
3. EUWID Pulp and Paper, Issue 35/2018 OF 31.08.2018.
4. Ешбаева У.Ж., Жалилов А.А., Рафиков А.С. Бумага с введением синтетических полимеров. Монография. Kamalak. Тaшкент. 2018 г. 13 п.л.
5. Ешбаева У.Ж., Жалилов А.А., Рафиков А.С. Бумага из текстильных отходов. Монография. LAP LAMBERT Academic Publishing. Düsseldorf. Germany. 2018 г. 7 п.л.
6. Набиева И.А. Модификация волокна нитрон отходами натурального шелка, и разработка технологии отделки смесовых материалов на его основе: Дисс. на соис. уч. степ. док. тех. наук. − Ташкент. ТИТЛП, 2010. −264 с.
7. Хасанова М.Ш. Совершенствование технологии подготовки к крашению смесовых трикотажных полотен: Дисс.на соис. уч. степ. канд. тех. наук. − Ташкент. ТИТЛП, 2009. −125 с.
8. 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.
9. Климова Е.Д., Азарова И.Н. Материаловедение − Москва. МИПК им. И.Федорова. 2006. -304 с.
10. Тарутина, Л.И. Спектральный анализ полимеров / Л.И.Тарутина, Ф.О. Позднякова. –Л.: Химия, 1986.
11. Инфракрасная спектроскопия полимеров / Под.ред. И.Деханта. М.,1976.472 с.
12. O’Konnor R.T.Du Pre E., Mitcham D. Application of infrared absorption spectroscopy to investigations of cotton and modified cottons. Part I. Phisical and crystalline modification and oxidation // Text. Res.J. 1958. Vol. 28. №5.P.382-392.
13. Герцевна М.Л. Научные основы создания многослойных целлюлозных композиционных материалов для высококачественной упаковки: Автореф. на соис. уч. степ. док. тех. наук. − Санкт Петербург. 2009. − 33 с.

 

Информация об авторах

старший преподаватель Ташкентского института текстильной и легкой промышленности, 100100, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Шохжахон 5

Senior teacher of the Tashkent institute of textile and light industry, 100100, Uzbekistan, Tashkent, Shokhzhakhon St. 5

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top