CC BY
20
Изучение
сорбционных
свойств
упаковочного
картона
П.Ф. Поташников,
к.т.н., профессор кафедры материаловедения
Л.Ю. Комарова,
к.т.н., доцент кафедры материаловедения
М.А. Бузыкина,
магистр кафедры материаловедения
С каждым годом ассортимент бумажных материалов расширяется. Особенно активно происходит применение таких материалов в упаковочном производстве, что объясняется экологической и экономической составляющими.
В зависимости от своего назначения картон и бумага должны отвечать тем или иным потребительским и технологическим свойствам, которые зависят от химической и физической структуры, толщины, способа получения материала, присутствия наполнителя, степени отделки поверхности и т. д. Перечисленные характеристики по своей совокупности определяют физико-химические свойства материалов, среди них важное место занимают сорбционные свойства. Последние являются определяющими для оценки таких характеристик как газо- и паропроницаемость. Указанные характеристики для бумажных материалов существенно выше, чем у синтетических полимерных материалов, что является определяющим для упаковки ряда пищевых продуктов и бытовых средств.
В данной работе исследовалась паропроницаемость многослойных картонов в зависимости от степени отделки поверхности материала. Исследования проводились на образцах картона, имеющих одностороннюю и двухстороннюю отделку поверхности в виде мелованного слоя, картоны марок Нева-300 (1) и А^ка-300 (№ 3); и картон марки Simwhite-290 (№ 2) соответственно.
Оценка паропроницаемости картонов проводилась с использованием различных по своей полярности органических растворителей, таких как бутилацетат (С4Н9 ОС(О)С Н3), этанол (С2Н5ОН) и циклогексан (С6Н12).
Для оценки паропроницаемости использовалась специальная проточная ячейка, в которую помещалась емкость с растворителем, и подавался постоянный фиксируемый воздушный поток (рис. 1). По мере испарения растворителя концентрация его паров в воздухе увеличивалась, что фиксировалось детектором по теплопроводности газового хроматографа. Сигнал детектора регистрировали через определенные промежутки времени до момента наступления динамического равновесия, обеспечивая таким образом получение равновесной кривой насыщения воздушного потока парами вещества. Конструкция ячейки позволяла проводить исследование изменения концентрации паров растворителя как непосредственно в потоке, проходящем над емкостью с растворителем, так и над этой же емкостью, но предварительно закрытой образцом картона. В первом случае фиксируется максимально достигаемая концентрация паров в воздухе, а также оценивается концентрация паров по убыли растворителя за определенное время. Во втором варианте фиксируется снижение концентрация паров в воздухе за счет обратимой сорбции паров растворителя на основных компонентах, входящих в состав слоев картона.
Рис. 1. Схема ячейки
Результаты исследования испарения на примере бутилаце-тата без материала и через картон № 1 представлены на рис. 2.
Анализ величины ДС (см. рис. 2) позволяет оценить количественно степень сорбции паров растворителя на исследуемом образце.
Подобная экспериментальная работа проводилась со всеми растворителями на всех трех картонах. Полученные результаты представлены на общем графике (см. рис. 3).
Из данных приведенных на графике можно заключить, что проницаемость паров для каждого растворителя через 1, 2 и 3 картоны разная по уровню, но при этом равновесные значения достигаются
Рис. 3. Графики динамики проникновения паров растворителей через картоны
примерно за одно и то же время. Сравнивая паропроницаемость по этанолу и циклогексану между картонами, видим, что картоны, имеющие одностороннее мелованное покрытие (картон № 1 и № 3) пропускают через свои слои гораздо больше паров, чем картон № 2, имеющий мелованное покрытие с обеих сторон материала. Наблюдающиеся повышенные сорбционные свойства картона № 2 можно объяснить большим содержанием наполнителя, в качестве которого чаще всего используют высокодисперсный углекислый кальций или каолин. Вероятно, указанные неорганические вещества принимают активное участие в сорбцион-ных процессах, и чем их больше, тем больше растворителя они адсорбируют. Паропроницаемость же бутилацетата для всех трех картонов практически одинаковая, то есть отделка поверхности в виде мелования слабо отразилась на проницаемости. Можно предположить, что паро-проницаемость зависит не только от наличия и количества мелованных покрытий у картона, но и от полярности самих растворителей и полярных фрагментов структурных компонентов картона. Получается, что наиболее полярный из исследуемых растворителей - бутилацетат (дипольный момент D = 1,9) - обладает наименьшей паропроницаемостью и имеет практически идентичные динамики проникновения растворителя через исследованные образцы картона. Этанол, имеющий дипольный момент D = 1,45, показал в нашем исследовании среднюю паропроницаемость, а неполярный растворитель - циклогексан Ш = 0) - самую высокую.
По результатам эксперимента были проведены расчеты количества поглощенного растворителя для каждого картона. Полученные результаты представлены в таблице.
Таблица
Количество поглощенного растворителя картонами к моменту динамического равновесия
Номер образца картона Бутилацетат Циклогексан Этанол
С , пред. м-ла' мг/л Д С, мг/л т , равн' мг С , пред. м-ла мг/л Д С, мг/л т , равн мг С , пред. м-ла мг/л ДС, мг/л т , равн мг
1 16,67 5,98 0,299 219,67 19,97 0,999 44,74 23,31 1,166
2 11,90 10,75 0,538 129,57 110,07 5,504 25,75 42,30 2,115
3 13,19 9,46 0,473 203,68 35,96 1,798 38,65 29,40 1,470
Приведенные в таблице значения являются, по сути, характеристиками сорбционных свойств исследуемых картонов. Сравнение полученных результатов, свидетельствует о том, что наибольшую сорб-ционную способность проявляют образцы картона № 2 с мелованным покрытием с обеих сторон. Наиболее отчетливо это проявляется для неполярного циклогексана. Меньше всего адсорбируются пары бутилацетата.
Проиллюстрированный в данном исследовании методический прием может, на наш взгляд, служить альтернативой классическим физико-химическим методам изучения сорбционных свойств материалов, основанных на использовании сложных экспериментальных методик, например, таких, как снятие изотерм сорбции в вакууме и им подобных [1].
Библиографический список
1. Технология целлюлозно-бумажного производства / под ред. Осипова П.С. - СПб. : Политехника, 2006. - Т. 2, Ч. 2. - С. 123-124.
