CC BY
15
УДК 676.274:678.5
А. И. Назмиева, М. Ф. Галиханов, Г. А. Гайнанова
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРЕТНОГО СОСТОЯНИЯ НА ВПИТЫВАЕМОСТЬ ПРИ ПОЛНОМ ПОГРУЖЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ключевые слова: целлюлозно-бумажный материал, крахмал, поверхностная обработка, униполярный коронный разряд.
Исследовано влияние поверхностной обработки крахмалом и униполярного коронного разряда на впитываемость при полном погружении мешочной бумаги. Установлено, что наличие крахмального покрытия с одной стороны бумаги практически не влияет на величину ее влагопоглощения. При обработке целлюлозно-бумажных материалов в коронном разряде впитываемость при полном погружении уменьшается, что связано с наличием энергетического барьера, замедляющего процессы смачивания и сорбции.
Keywords: pulp and paper materials, starch, surface treatment, unipolar corona discharge.
The influence of surface starch treatment and unipolar corona discharge on the absorption atfull immersion sack paper. Found that the presence of the starch coating on one side of the paper has little effect on the magnitude of its dehumidification. When processing the pulp and paper materials corona absorption at full immersion is reduced due to the presence of an energy barrier, slowing down the process of wetting and sorption.
Введение
Одними из самых распространенных упаковочных материалов являются на сегодняшний день целлюлозно-бумажные материалы. Благодаря своей легкости, дешевизне, удобству при транспортировке и эксплуатации они очень востребованы среди производителей и распространителей (продавцов) различных товаров. Среди них, в упаковочной промышленности для изготовления многослойных мешков, выделяется мешочная бумага [1]. Однако ее использование ограничивается высокой гигроскопичностью, т. к. негативно влияет на комплекс прочностных, геометрических и др. свойств. Это значительно ограничивает сферы ее применения, особенно в условиях повышенной влажности окружающей среды или упакованного продукта.
Для повышения качества бумаги, расширения возможности ее использования в производстве применяют многие методы, например, нанесение полимерных покрытий, склеивание с алюминиевой фольгой, поверхностная обработка клеевыми, парафиновыми композициями, битумирование и др. [2]. Исследованию изменения свойств целлюлозно-бумажных материалов при нанесении различных барьерных покрытий
(облагораживании) посвящены многие работы в научной литературе [3-6].
В то же время, встречаются работы, изучающие влияние физических полей различной природы на те или иные свойства целлюлозно-бумажных материалов [7-10], в том числе -униполярного коронного разряда [9, 10].
Безусловно, совместное применение поверхностной обработки целлюлозно-бумажных материалов и воздействия коронного разряда могут привести к нестандартным изменениям свойств бумаги. Целью настоящей работы являлось исследование изменение впитываемости при полном погружении целлюлозно-бумажных материалов при поверхностной обработке крахмальным клеем и действии униполярного коронного разряда.
Экспериментальная часть
В качестве объекта исследования были выбраны мешочная бумага марки М-70 (ГОСТ 2228) плотностью 70 г/м2, толщиной 0,11 мм, экструзионный кукурузный крахмал и дистиллированная вода (ГОСТ 6907)
Для нанесения покрытия на поверхность бумажно-целлюлозных материалов были приготовлены образцы размерами 100 х 100 мм. Крахмальный клейстер готовился на водяной бане при температуре 95°С в соотношении крахмал : вода : глицерин = 4,75 : 10 : 0,16 (г) при постоянном перемешивании до образования однородной массы. Нанесение покрытия на поверхность бумаги осуществлялось с помощью кисти. Охлаждение материалов с поверхностной обработкой проводили при комнатной температуре. После охлаждения измерялась толщина нанесенного покрытия с помощью микрометра МК 0-25 по ГОСТ 6507-78.
Часть образцов с покрытием подвергалось электретированию в отрицательном коронном разряде. Обработка материалов коронным разрядом осуществлялось следующим образом. Готовые образцы помещали в коронирующую ячейку с электродом, состоящим из 196 заостренных игл, равномерно расположенных на площади 49 см2 в виде квадрата (рис. 1) при подаваемом напряжении 30 кВ в течение 1 минуты.
Измерение электрического потенциала поверхности Уэ, напряженности электрического поля Е и эффективной поверхностной плотности заряда сэф бумаги осуществляли компенсационным методом (экранирование приемного электрода) на приборе ИПЭП-1.
Испытание на впитываемость при полном погружении образцов бумаги проводили по ГОСТ 13648.5-78.
Рис. 1 - Схема коронатора: 1 - источник высокого напряжения, 2 - заземленный электрод, 3 - коронирующий электрод, 4 - образец
Результаты и их обсуждение
На первом этапе была изучена возможность электретирования мешочной бумаги действием униполярного коронного разряда. Исследования показали, что исходная бумага практически не электретируется в поле отрицательного коронного разряда. Нанесение крахмального покрытия существенно не изменяет способность целлюлозно-бумажного материала к электретированию (табл. 1).
Таблица 1 - Электретные характеристики бумажно-целлюлозных материалов с
крахмальным покрытием и без него. Время измерения - через 1 час после действия униполярного коронного разряда
Электретные свойства М-70 М-70 с поверхностной обработкой крахмальным клеем
Vэ, В 38 30
E, кВ/м 0,6 0,9
стэф, мкКл/м2 0,004 0,006
Быстрый спад заряда электретов на основе полярных диэлектриков (к которым относятся и целлюлоза, и крахмал) известен и наблюдался ранее [11, 12]. Дело в том, что электретирование в коронном разряде происходит за счет проникновения носителей зарядов (электронов, ионов) в объем диэлектрика и фиксирование их на, так называемых, энергетических ловушках. В ходе релаксации заряда (разряжения электрета) происходит перенос носителей заряда к поверхности диэлектрика и его высвобождение из объема. Этот процесс определяется удельной объемной электропроводностью материала, которая у полярных материалов на несколько порядков выше, чем у неполярных.
Низкие значения электретных характеристик можно объяснить и наличием сквозных пор (межволоконного пространства) бумаги,
позволяющих носителям заряда достигать нижнего электрода в процессе электретирования, не попадая в объем целлюлозных волокон, «облетая» их.
Под действием коронного разряда в бумаге происходят и ряд изменений, обуславливающих изменение энергетических характеристик
поверхностных слоев бумаги, например, поверхностное натяжение (свободная поверхностная энергия) [13].
Все вышеперечисленное безусловно влияет на процессы смачивания материала водой. На следующем этапе была изучена впитываемость при полном погружении мешочной бумаги (рис. 2).
Втшмааелюсшь при гюятм о..
гюгружетш,
111
Рис. 2 - Впитываемость при полном погружении целлюлозно-бумажных материалов: 1 - М-70; 2 -М-70 после действия коронного разряда; 3 - М-70 с крахмальным покрытием; 4 - М-70 с крахмальным покрытием после действия коронного разряда
Видно, что исходная мешочная бумага за 15 минут увеличивается в массе на 110 % (рис. 2). Проникновение молекул воды в происходит межволоконное пространство бумаги (поры) и вследствие набухания самих волокон. При этом отмечается, что когда свободное межволоконное пространство заполняется водой, молекулы жидкости начинают раздвигать целлюлозные волокна, тем самым, образуя новые пустоты, которые снова заполняются водой [1].
При нанесении покрытия на целлюлозно-бумажный материал впитываемость при полном погружении практически не изменяется. Хотя по литературным данным, покрытие поверхности бумаги крахмалом должно приводить к уменьшению ее впитывающей способности за счет образования сплошной пленки [1]. Однако в данной работе покрытие на основе крахмала наносится только с одной стороны, что не мешает проникновению молекул воды в объем бумаги.
Обработка мешочной бумаги и бумаги с крахмальным покрытием полем коронного разряда уменьшает впитываемость при полном погружении целлюлозно-бумажных материалов на 18% и 5 % соответственно. Подобное влияние заряда электрета на процессы растекания, сорбции и диффузии различных жидкостей наблюдали и ранее и объясняли созданием своеобразного
энергетического барьера, на преодоление которого расходуется движущая сила этих процессов [14-16].
Видно, что наличие крахмального покрытия несколько нивелирует вклад электретного состояния на величину впитываемости при полном
погружении мешочной бумаги. Вероятно дело в различии поляризуемости и стабильности заряда целлюлозы (бумаги) и крахмала.
Заключение
Таким образом, в работе исследовано влияние поверхностной обработки крахмалом и униполярного коронного разряда на впитываемость при полном погружении мешочной бумаги. Установлено, что наличие крахмального покрытия с одной стороны бумаги практически не влияет на величину его влагопоглощения. При обработке целлюлозно-бумажных материалов в коронном разряде впитываемость при полном погружении уменьшается, что связано с наличием энергетического барьера, замедляющего процессы смачивания и сорбции.
Литература
1. Фляте Д. М. Свойства бумаги. Издание 3-е - М.: Лесн. пром-сть, 1986. - 680с.
2. Кларк Дж. Технология целлюлозы (наука о целлюлозно массе и бумаге, подготовка массы, переработка ее на бумагу, методы испытаний): Пер. с англ. А. В. Оболенской и Г. А. Пазухиной. - М.: Лесная пром-сть, 1983. - 456 с.
3. Азаров В.И., Кононов Г.Н., Дроздова В.С. Исследование свойств бумаги с поверхностной обработкой. // Вестник Московского государственного университета леса -Лесной вестник. - 2007. - № 4. - С. 117-119.
4. Галиханов М.Ф., Мусина Л.Р. Изменение показателей физико-механических свойств гофрокартона при его покрытии полиэтиленом // Известия вузов. Лесной журнал. - 2012. - № 5. - С. 143-148.
5. Гарифуллина Р.А., Булидорова Г.В. Кинетика капиллярного впитывания воды картоном с гидрофобизированной поверхностью // Вестник Каз. технол. ун-та. - 2013. - Т.16, №5. - С. 91-93.
6. Ковернинский И.Н. Упрочнение целлюлозно-бумажных материалов поверхностной обработкой
модифицированными карбамидными олигомерами: дис. ... д-ра техн. наук. - М., 1992. - 328 с.
7. Ажаронок В.В., Филатова И.И., Вощула И.В., Длугунович В.А., Царюк О.В., Горжанова Т.Н. Изменение оптических свойств бумаги под влиянием магнитной составляющей высокочастотного электромагнитного поля // Журнал прикладной спектроскопии. - 2007. - Т. 74, № 4. - С. 421-426.
8. Вураско А. В., Фролова Е. И., Стоянов О. В. Повышение сорбционных свойств технической целлюлозы из недревесного растительного сырья // Вестник Каз. технол. ун-та. - 2014. - Т.17, № 1. - C. 41-43.
9. Перепелкина А.А., Галиханов М.Ф. Влияние термической обработки и электрофизического воздействия на сопротивление продавливанию целлюлозно-бумажного материала // Вестник Каз. технол. ун-та. - 2013. - Т.16, № 7. - С. 113-114.
10. Мусина Л. Р. Применение электретирования как способа упрочнения комбинированного гофрированного картона // Вестник Каз. технол. ун-та. - 2014. - Т. 17, № 10. - C. 45-47.
11. Electrets / Ed. Sessler G. - Berlin: Springer, 1987. - 453 p.
12. Галиханов М.Ф., Бударина Л.А. Короноэлектреты на основе полиэтилена и сополимеров этилена с винилацетатом // Пласт. массы. - 2002. - № 1. - С. 40-42.
13. АнаньевВ.В., Чалых А.Е., Банникова О.А. Адгезионные свойства комбинированного материала бумага (картон)
- полиэтилен. Исследование энергетических характеристик поверхности // Пластические массы. -2009. - № 6. - С. 27-29.
14. Вертячих И.М., Гольдаде В.А., Неверов А.С., Пинчук Л. С. Влияние электрического поля полимерного электрета на сорбцию паров органического растворителя // Высокомолек. соед. - Сер. Б. - 1982. - Т. 24, № 9. - С. 683-687.
15. Плевачук В.Г., Вертячих И.М., Гольдаде В.А., Пинчук Л. С. Влияние заряда полимерного электрета на растекание жидкости. // Высокомолек. соед. - Сер. А. -1995. - Т. 37, № 10. - С. 1728-1731.
16. Кравцов А.Г. О влиянии электретного эффекта в полимерных волокнистых материалах на капиллярное проникновение жидкостей // Материаловедение. - 2001.
- № 12. - С. 8-11.
© А. И. Назмиева - аспирант, кафедра технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, [email protected]; М. Ф. Галиханов - д-р техн. наук, профессор, кафедра технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, [email protected]; Г. А. Гайнанова - студентка группы 5221-71, КНИТУ, [email protected].
© A. 1 Nazmieva, Ph.D. student, Department of processing technology of polymers and composite materials of Kazan national research technological university, [email protected]; M. F. Galikhanov, professor, Dr. Tech. Sci., professor of the Department of processing technology of polymers and composite materials of Kazan national research technological university. E-mail: [email protected]; G. A. Gaynanova, student of group 5221-71, faculties of plastics and Composite Materials Technology, Processing and Certification of Kazan national research technological university, [email protected].
