В настоящее время существует большое количество упаковочных материалов, таких как бумага, картон, полимеры, стекло, древесина и другие. Однако среди большого многообразия используемых упаковочных материалов картон и бумага занимают лидирующие позиции в тароупаковочной отрасли. Доля их использования составляет в среднем 50 % от общего потребления и доминирует не только по объемам производства, но и по широкой номенклатуре тароупаковочной продукции и ассортименту упаковываемых товаров.
Наиболее распространённым материалом для создания картонно-бумажной упаковки является гофрокартон. Производством упаковки и гофрированного картона в стране занято более 180 небольших фабрик, расположенных преимущественно в многонаселенных районах. Однако одним из существенных недостатков производимого гофрокартона является слабая влагопрочность. Это значительно сужает сферу его применения в тех случаях, когда требуется сохранение прочности упаковки в условиях повышенной влажности. Между тем опыт зарубежных стран показывает, что именно использование тары из влагопрочного гофрокартона и картона с защитными свойствами наиболее эффективно, поскольку при этом значительно расширяется область его применения и обеспечивается экономное расходование ресурсов на тару. Потребность в гофрированном картоне, обладающим повышенной влагостойкостью, в России составляет около 120–130 миллионов м2, его производство в настоящее время не организовано [4, 6].
Одним из критериев, влияющих на влагопрочность картона, является химический состав исходных волокнистых материалов. Понятие химический состав технической целлюлозы включает в себя прежде всего содержание в ней α- и β-целлюлоз. α-целлюлозу принято условно отождествлять с клетчаткой. При высоком содержании ее волокнистый материал отличается показателями повышенной прочности, химической и термической стойкости. β-целлюлоза состоит из наиболее длинных гемицеллюлозных цепей. В исходной древесине и у прочной сульфатной целлюлозы β-целлюлоза полностью отсутствует. Волокна сульфатной целлюлозы придают бумаге высокие показатели механической прочности по сопротивлениям разрыву, излому, продавливанию и надрыву, повышенное удлинение до разрыва, термостойкость, долговечность. Введение сульфатной целлюлозы в композицию приводит к повышению прочности картона во влажном состоянии, растяжимости и к уменьшению скручиваемости, что имеет большое значение для получения качественной продукции [2, 3, 7].
Были испытаны влагопрочные свойства гофрированного картона по ГОСТ 13.525.19-91 (Бумага и картон). Влагопрочность – это отношение прочности гофрированного картона во влажном состоянии к прочности в сухом состоянии, выраженном в процентах. В нашем случае прочность определялась при помощи прибора сопротивления продавливанию (ПР-1). Методика проведения эксперимента указана в ГОСТ 13525.8-86. Метод заключается в определении давления, необходимого для разрушения зажатого по кольцу образца бумаги, по ГОСТ 13525.8-86 (Полуфабрикаты волокнистые, бумага и картон). Метод определения сопротивления продавливанию. Сопротивление бумаги продавливанию определяют на приборе ПР-1. Принцип действия прибора заключается в нагружении гидростатическим давлением испытуемого образца, представляющего собой круглую мембрану, защемленную по периметру. Прибор состоит из станины, на которой укреплен цилиндр с камерой, заполненный глицерином. Внутри камеры перемещается плунжер с резиновой манжетой, верхнее отверстие камеры закрывается резиновой диафрагмой, прижимаемой к краям камеры вставным кольцом и гайкой.
При испытании образец бумаги кладут на диафрагму и зажимают с помощью прижимного стакана посредством рычага с эксцентриком. При перемещении плунжера осуществляемого вращением маховика, в камере создается давление, для контроля которого служит манометр.
Из листов бумаги вырезают образцы размером 70×70 мм. Установив контрольную стрелку манометра на нулевое положение шкалы, вставляют образец бумаги в зазор между прижимным стаканом и вставным кольцом и зажимают его, поворачивая рычаг по часовой стрелке до отказа. Затем равномерно начинают вращать маховик по часовой стрелке со скоростью 50–60 об/мин. После разрушения образца вращением маховика в обратную сторону снимают давление в камере. Значение показателя влагопрочности образцов гофрированного картона определяли при относительной влажности воздуха 99 % [1].
Полученные результаты приведены в виде сравнительной диаграммы (рисунок).
Результаты, полученные в исследовании различных образцов гофрокартона, позволяют сделать вывод, что все образцы имеют низкие показатели влагопрочности и не могут быть использованы в качестве материала для изготовления тары, которая будет эксплуатироваться в условиях повышенной влажности. Для производства такой тары необходимо использовать в качестве материала влагопрочный гофрокартон.
Для придания бумаге влагопрочных свойств в композицию вводят меламино-формальдегидную смолу или пропитывают картон латексно-смоляными композициями [5].
Влагопрочностные характеристики исследуемых образцов гофрокартона (при относительной влажности 99 %)
Наибольшее распространение в мировой практике получили методы придания бумаге влагопрочности с использованием в ее композиции карбамидо- и меламиноформальдегидной смол. Исходными веществами для их получения являются соответственно карбамид – СО(NH2)2 и меламин – C3H6N6. Продукты, получаемые в результате взаимодействия карбамида или меламина с формальдегидом, поступают на бумажную фабрику для использования в производстве влагопрочных видов бумаги. Такими продуктами являются карбамидоформальдегидная смола марки МКС-10П и меламиноформальдегидная смола марки 76. Оба продукта катионного характера и для своего осаждения на волокна не требуют применения сернокислого алюминия, который может быть, однако, одновременно использован для других целей: осаждения на волокна канифольного клея, минеральных наполнителей, красителей и пр.
Карбамидоформальдегидная смола легко растворима в воде, и поэтому ее применение проще, чем меламиноформальдегидной смолы, которую растворяют в 1,5 %-ном растворе соляной кислоты при температуре около 30 °С. Солянокислый раствор меламиноформальдегидной смолы по мере его вызревания (оно практически длится 12 ч) из молекулярного превращается в коллоидный с голубоватым опалесцирующим оттенком. Вязкость раствора при этом увеличивается, и размер частиц достигнет 10–20 нм. Такой раствор с концентрацией смолы 10–12 % уже пригоден к употреблению. Он вводится в бумажную массу в зависимости от требуемой степени влагопрочности бумаги в количестве от 1 до 5 % сухой смолы к массе сухих волокон. Раствор смолы наиболее целесообразно вводить в напорный ящик бумагоделательной машины, т.е. непосредственно перед поступлением бумажной массы на машину. Для поверхностной обработки бумаги эта смола не применяется.
Водный раствор карбамидоформальдегидной смолы вызреванию не подвергается и может быть использован для введения в бумажную массу, а также и для поверхностной обработки бумаги. В последнем случае для повышения влагопрочности рекомендуется пользоваться смесью растворов смолы и крахмала (или карбоксиметилцеллюлозы). Технологический процесс изготовления влагопрочных видов бумаги на бумагоделательной машине отличается от процесса изготовления обычных видов бумаги лишь режимами сушки и переработки сухого бумажного брака. При сушке влагопрочной бумаги под влиянием температуры поверхности сушильных цилиндров происходит процесс поликонденсации находящихся в бумаге синтетических смол с образованием между растительными волокнами связей, которые вода уже не может полностью разрушить [4, 5, 7].
Этим и объясняется придание бумаге свойства влагопрочности. Для того чтобы поликонденсация смолы возможно полнее произошла во время пребывания бумаги на сушильной части бумагоделательной машины, необходимо поддерживать в середине и в конце сушильной части повышенную температуру поверхности сушильных цилиндров (до 115–120 °С при использовании меламиноформальдегидной смолы и до 125 °С при применении карбамидоформальдегидной смолы). Помимо водорастворимости эти смолы одновременно с влагопрочностью придают бумаге много других ценных свойств: повышение удержания минеральных наполнителей и мелких волокон, стабильность размеров, повышение показателей механической прочности, устойчивость к старению бумаги, восприимчивость печатной краске и некоторых других.