Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БУМАГИ

Муллина Э.Р. 1 Лыгина Е.Г. 1 Ершова О.В. 1 Пинчукова К.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
В работе изложены сведения об основных и вспомогательных материалах, применяемых в процессах производства упаковочных материалов на основе бумаги и картона. Рассмотрены бумагообразующие свойства волокнистых полуфабрикатов, используемых в производстве упаковочных материалов на основе бумаги и их влияние на качество получаемой продукции. Дана характеристика основных видов волокон, применяемых в композиции бумаги-основы. Представлены результаты композиционного состава по волокну исследуемых образцов гофрокартона. Проанализировано влияние композиции по волокну на прочностные характеристики гофрокартона. Рассмотрен химический состав углеводной части различных видов волокон, используемых в производстве целлюлозных упаковочных материалов. Рассмотрены основные свойства этих веществ, их классификация по химической сущности и по назначению, а также перечислены основные требования, предъявляемые к ним. Представлены результаты исследования влияния химического состава исходных волокнистых материалов на физико-механические свойства бумаг для гофрирования. Сделаны выводы о возможности управлять прочностными характеристиками упаковочного картона путем модификации химического состава целлюлозного сырья.
картон
гофрокартон
свойства
упаковка
химический состав
прочностные характеристики
1. Вайсман Л.М. Структура бумаги и методы ее контроля. – М.: Лесная промышленность, 1973. – 152 с.
2. Ермаков С.Г., Хакимов Р.Х. Технология бумаги. – Пермь: Пермский гос. Тех. Университет, 2002.
3. Иванов С.Н. Технология бумаги. – М.: Лесная промышленность, 1970. – 700 с.
4. Кусмауль К.В. Тара с повышенными потребительскими свойствами. – М.: ЦНИИТЭИМС, 1966. – 18 с.
5. 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.
6. 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.
7. Муллина Э.Р., Чупрова Л.В., Мишурина О.А., Ершова О.В.Исследования возможности улучшения эксплуатационных свойств упаковочных материалов путем химической модификации сорбционных показателей бумаги-основы // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1. – С. 300. – URL: www.science-education.ru/121-18874 (дата обращения: 24.09.2015).
8. 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; URL: www.science-education.ru/120-16572 (дата обращения: 24.04.2015).
9. Фляте Д.М. Технология бумаги: учеб. для вузов. – М.: Лесная промышленность, 1988. – 440 с.

Структура и свойства волокнистой основы зависят в первую очередь от свойств компонентов композиции его по волокну, а также от количества проклеивающих и наполняющих веществ, используемых в технологии изготовления бумаги [1, 2, 3]. В основном при изготовлении разных видов бумаги применяют бумагу-основу, полученную из двух, трех и более волокнистых полуфабрикатов, образующих таким образом композицию бумаги по виду волокон, или из одного волокнистого полуфабриката, приготовленного для этого соответствующим образом [4, 6, 7]. При этом одним из основных факторов, влияющим на конечные свойства готовой бумажной продукции, является химический состав исходных волокнистых материалов, который определяется видом и способом получения волокнистой массы [2, 3, 9].

Понятие химический состав технической целлюлозы включает в себя, прежде всего содержание в ней α, β и γ-целлюлоз, гемицеллюлоз и лигнина.

Содержание α-целлюлозы в различных видах целлюлозы может быть одинаково, но при этом длина их цепей колеблется, а в зависимости от длины, будут колебаться и свойства технической целлюлозы. При высоком содержании α-целлюлозы волокнистый материал отличается показателями повышенной прочности, химической и термической стойкости, а также долговечностью и стабильностью белизны. Однако для получения прочного полотна бумаги-основы необходимо обязательное наличие гемицеллюлозных спутников.

Высокое содержание α-целлюлозы необходимо для волокнистого материала, подвергаемого химической переработке. Добавка такого материала (например, облагороженной целлюлозы для производства вискозы) к размолотой обычной технической целлюлозе позволяет изготовить бумагу с более равномерным просветом и повышенными показателями впитывающей способности и пухлости, хотя и с несколько пониженными показателями механической прочности. Для замены тряпичных волокон при изготовлении бумаги-основы для пергамента добавляют подобную облагороженную целлюлозу с высоким содержанием α-целлюлозы к прочной беленой целлюлозе.

β-целлюлоза состоит из наиболее длинных гемицеллюлозных цепей, а также продуктов деструкции длинных целлюлозных, молекул во время химической очистки, старения и других процессов, при которых возможна деструкция, β-целлюлоза имеет длину цепей, содержащих примерно от 50 до 200 глюкозных остатков. В исходной древесине и у прочной сульфатной целлюлозы β-целлюлоза полностью отсутствует. Большое количество ее содержится только в хорошо проваренной, легкобелимой сульфатной целлюлозе. Из целлюлозы с высоким содержание β-целлюлозы получается относительно слабая бумага, однако она легче отбеливается, т.к. при достаточно жестких условиях ее варки удаляется большое количество лигнина.

γ-целлюлоза – самая низкомолекулярная часть технической целлюлозы. Она состоит из гемицеллюлозных цепей и низкомолекулярных осколков, образованных в процессе деструкции целлюлозных молекул. Содержание α-, β- и γ-целлюлоз в различных видах целлюлозы представлено в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав углеводной части различных видов целлюлозы

Целлюлоза

Содержание, %

α-целлюлозы

β-целлюлозы

γ-целлюлозы

Сульфитная целлюлоза:

небеленая

беленая

88,1–89,8

86,5–90,4

1,98–3,98

0,90–1,90

6,22–9,22

8,0–11,4

Сульфатная целлюлоза:

небеленая

беленая

90,2

88,6

3,65

9,8

7,75

 

Гемицеллюлозы являются важным компонентом технической целлюлозы: они пластифицируют волокна, облегчая их фибриллирование, что в свою очередь способствует повышению прочности связей между волокнами в бумажном листе. Определенное количество гемицеллюлоз не только придает технической целлюлозе определенные склеивающие свойства, необходимые для поверхностной связи волокон, но и обеспечивает фибриллирование волокон без чрезмерного уменьшения их длины при размоле.

Разные виды целлюлозы обладают различной способностью набухать в воде [5, 8, 9]. Эта способность в основном определяется содержанием гемицеллюлоз в технической целлюлозе. Установлено также, что при прочих равных условиях с повышением содержания в технической целлюлозе гемицеллюлоз растет сопротивление продавливанию бумаги, полученной из такой целлюлозы. Здесь, по-видимому, сказывается склеивающее действие гемицеллюлоз, подобно склеивающему действию крахмала, вводимого в бумажную массу и обеспечивающего повышение механической прочности бумаги. Опыты искусственного введения гемицеллюлоз в бумажную массу подтвердили получение при этом бумаги повышенной прочности. Склеивающее действие, вызываемое гемицеллюлозами, связано с тем, что они имеют более короткие цепи по сравнению с целлюлозой и при набухании создают поперечные гибкие связи между соседними волокнами.

Лигнин. Лигнин с точки зрения бумагообразующих свойств растительных волокон является неблагоприятным компонентом технической целлюлозы, так как он препятствует пластификации волокон, ограничивает набухание, затрудняет размол и фибриллирование волокон. При высоком содержании лигнина целлюлоза становится хрупкой. Одновременно при этом ухудшаются условия взаимного сцепления волокон. Лигнин влияет на пожелтение и старение бумаги при длительном ее хранении. Вместе с тем лигнин снижает прозрачность волокон. В прочной небеленой сульфатной целлюлозе остается примерно 3–5 % лигнина только потому, что удаление его обычными методами привело бы к получению значительно ослабленной целлюлозы.

Таблица 2

Композиция по волокну исследуемых образцов бумаг для гофрирования

Образец

Сульфатная целлюлоза, %

Сульфитная целлюлоза, %

Древесная масса, %

Б-1

13–16

3–6

45–48

Б-2

9–11

5–8

33–36

Б-3

10–13

4–5

40–43

Б-4

38–40

8–12

44–46

Таблица 3

Физико-механические показатели исследуемых образцов бумаг для гофрирования

Показатель

Образцы

Б-5

Б-6

Б-7

Б-8

Удельное сопротивление разрыву, кН/м

– машинное направление

– поперечное направление

7

2,7

6

2,8

8

3,0

13

5,0

Предел прочности, МПа

– машинное направление

– поперечное направление

56

22

48

21

52

20

90

35

Для различных видов целлюлозы содержание лигнина, обеспечивающее максимальную прочность изготовляемой бумаги, находится в пределах: для сопротивления разрыву 7–12 %, сопротивления продавливанию 7–9 % и сопротивления раздиранию 3–5 %.

Цель работы – исследование влияния химического состава исходных волокнистых материалов на физико-механические свойства бумаг для гофрирования различных производителей (табл. 2, 3).

Анализ полученных результатов показал, что содержание сульфатной (небеленой) целлюлозы, характеризующейся максимально высоким содержанием α-целлюлоз, обусловливающих повышенную прочность бумаг, максимально в образце бумаги Б-4, а минимальное – в бумагах Б-2. У остальных образцов содержание сульфатной (небеленой) целлюлозы изменяется незначительно.

Данные, представленные в табл. 3, полностью подтверждают предполагаемую зависимость физико-механических показателей бумажных материалов от их химического состава. Максимальные значения механической прочности характерны бумаге Б-4 (с максимальным содержанием α-целлюлоз). При этом минимальные значения по тем же показателям наблюдаются у образцов бумаги Б-2, характеризующихся минимальным содержанием α-целлюлоз. Кроме того, полученные результаты позволяют также предположить, что высокие значения физико-механических показателей в образце Б-4 обусловлены также и наличием гемицеллюлоз – обязательных спутников α-целлюлозы.

Таким образом, полученные результаты исследований показали что, в зависимости от химического состава используемого сырья, можно получать гофрокартон с различными физико-механическими показателями. Покупатель бумаг для производства гофрокартона должен иметь сведения о поставщиках сырья для правильной ориентации в тактике закупок исходного целлюлозного сырья.


Библиографическая ссылка

Муллина Э.Р., Лыгина Е.Г., Ершова О.В., Пинчукова К.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БУМАГИ // Современные наукоемкие технологии. – 2015. – № 9. – С. 56-58;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35120 (дата обращения: 08.08.2020).

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