книги из ГПНТБ / Сушкова Н.Д. Бумажные мешки. Производство, свойства и применение мешочной бумаги и мешков

В рабочей зоне допускается содержание в воздухе: формаль­ дегида 0,5 мг/м3, ацетальдегида 5 мг}м3, окиси углерода 20 мг/м3. (Нормы утверждены Главным санитарным врачом СССР 30 апреля 1970 г., приказ № 841—70.)

С развитием техники и увеличением скорости ламинирования в конструкцию экструзиошю-ламинаторных агрегатов внесены су­ щественные изменения. Увеличено соотношение длины шнека и диаметра до (20^28) : 1 для более равномерного перемешивания расплавленного полиэтилена. В головке устанавливаются регуля­ тор давления и экран с отверстиями для выравнивания напряже­ ния в расплаве. Предусматривается регулярное охлаждение шнека водой и дополнительное охлаждение сжатым воздухом в момент останова. Очень большое внимание уделяется автоматическому ре­ гулированию температуры всех основных узлов агрегата и поли­ этилена.

Металлический цилиндр для придания лоска покрытию хроми­ руют, для получения' матовой поверхности полиэтилена — обраба­ тывают пескоструйным аппаратом. Чтобы избежать сцепления по­ лиэтилена с металлом, устанавливают спрыск, через который по­ дают кремнийорганическую (силиконовую) жидкость. Если предполагается нанесение печати на полиэтилен, силикон не при­ меняется.

Прижимный обрезиненный вал стараются хорошо охладить из­ нутри и снаружи. Взамен неопрена для облицовки вала начали применять силиконовый каучук, который не требует частой шли­ фовки, но для ламинирования очень гладкой основы (фольги, цел­ лофана, пергамента) непригоден.

Замена прижимного вала на отсасывающий позволила-снизить температуру расплавленного полиэтилена до 300°С и получить тонкое покрытие (10 г/м2), обладающее хорошей адгезией и низ­ кой паропроницаемостью. Стала обязательной предварительная обработка бумаги-основы.

Усовершенствованные агрегаты, состоящие из двух экструде­ ров и общего ламинатора, создают возможность последователь­ ного нанесения на одну сторону бумаги покрытий из разных ма­ териалов, например полиэтилена и полипропилена, или позволяют обрабатывать бумагу с двух сторон. Агрегаты, состоящие из двух экструдеров и одного мундштука, позволяют покрывать бумагу соэкструдированной пленкой полиэтилена с пропиленом или са­ раном общей толщиной до 12 мкм. Сочетание полимеров с раз­ ными свойствами увеличивает непроницаемость и жиррстойкость бумаги и придает ей новые качества [104].

ПОВЫШЕНИЕ АДГЕЗИИ ПОЛИЭТИЛЕНА

С целью повышения прочности сцепления полиэтилена с бу­ магой при высокой скорости ламинирования (выше 100 м/мин) бумагу-основу предварительно либо грунтуют, либо обрабатывают коронным разрядом или газовым пламенем.

80

Для грунтовки применяют: а) 1,5%-ные водные растворы полиэтиленимина молекулярной массой более 2000, например полимин

лиза с добавкой 1 % комплексообразующих соединений; г) полиаминоалкилсиланы общей формулой ZnR'Si(OR)3; д) полиуре­ таны; е) поливиниловый спирт; ж) полиамидные смолы.

Грунтовку бумагиюсновы можно производить со скоростью 300—500 м/мин на клеильном прессе бумагоделательной машины, на специальных машинах для нанесения покрытий или зкструзи- онно-ламинаторных агрегатах, оснащенных системой валиков, ку­ пающихся в ванне, и разными шаберами. Грунтующий слой со­ ставляет 0,5—1,5% (сухого вещества) от массы бумаги.

Обработка бумаги газовым пламенем и коронным разрядом осуществляется на экструзионно-ламинаторном агрегате при ско­ рости выше ПО м/мин непосредственно перед соединением с поли­ этиленом. Заблаговременно обрабатывать бумагу этими способами на другом оборудовании нецелесообразно, поскольку эффектив­ ность обработки снижается со временем.

Для придания адгезии к клею и печатным краскам ламиниро­ ванную бумагу со стороны полиэтиленовой пленки также обраба­ тывают токами высокой частоты с образованием коронных раз­ рядов или газовым пламенем с большим избытком кислорода. Ионизация методом коронного разряда распространена шире, но второй способ дешевле, допускает более высокие скорости, не со­ провождается выделением окиси азота и озона. Однако эффект обработки неглубок (0,25—0,025 мкм) и недолговечен из-за мигра­ ции к поверхности пленки различных составляющих [105, 106].

У с т р о й с т в о д л я и о н и з а ц и и располагается на экстру­ зионно-ламинаторном агрегате после соединения полиэтилена с бу­ магой, огибающей электропроводящий валик, над которым на расстоянии 1—2 см располагаются два электрода из мягкой жести, соединенных с импульсным трансформатором высокого напряже­ ния. Длина электродов должна соответствовать ширине бумаги, подлежащей обработке (нанесению печати, склеиванию), и во всяком случае не должна превышать ширину полотна бумаги, чтобы не повредить поверхность валика. Расстояние между лами­ нированной бумагой и электродами можно регулировать, но во избежание образования слишком большого количества озона это расстояние не должно превышать 2 см.

Ток высокой частоты получается на специальной установке, где напряжение поднимается до 2500 В, а частота увеличивается до 5—30 МГц. При импульсном разряде возникает мощный поток электронов (1010—ІО15 электронов на 1 мм2 пленки), скорость ко­ торых при напряжении 240 кВ — около 15000 км/с. Электроны проникают в полиэтилен на глубину до 10 мкм. Вокруг пленки создается сильное магнитное поле и в результате ионизации воз­ духа образуется озон. С поверхности полиэтилена отрываются атомы водорода, часть которых образует гелий, а остальные,

соединяясь с кислородом воздуха, дают воду. Вода мгновенно ис­ паряется, а поверхность пленки приобретает отрицательный заряд и становится восприимчивой к адсорбции и соединению с другими

реществами [107].

Предполагается, что в полиэтилене в первую очередь расщеп­ ляются группы СНз, всегда присутствующие в небольшом коли­ честве в техническом продукте и имеющие меньшую энергию ва­ лентных связей. При очень сильной обработке могут расщепляться

исферолиты.

Впроцессе хранения ламинированной бумаги эффект от иони­

зации постепенно уменьшается и через некоторое время (2—3 не­ дели) пропадает совсем.

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Толщина покровного слоя в процессе ламинирования может определяться автоматически по разнице показаний двух бетаметров, измеряющих толщину бу­ маги-основы и толщину бумаги с покрытием. Масса покровного слоя проверяется путем взвешивания полиэтиленовой пленки, отделенной от бумаги после намока­ ния в толуоле или уайт-спирите или по разнице массы бумаги до и после экстра­ гирования в органическом растворителе, например в кипящем четыреххлористом углероде [107].

Г. Виндаус и Э. Петерман предложили определять толщину полиэтилена на мешочной бумаге при помощи рефрактометра Аббе, наблюдая -бумагу в отра­ женном свете (под углом 45°) в микроскоп. Показатель преломления света при­ нят равным 1,515 [108].

Паропроницаемость оценивается по привесу гигроскопического вещества, на­ ходящегося в алюминиевой чашке, закрытой испытуемым образцом, при задан­ ной температуре и относительной влажности воздуха в течение суток.

Недавно появились приборы для определения паропроницаемости бумаги с покрытием на ходу.

Степень адгезии полиэтилена к бумаге характеризуют разными способами. Самым простым способом является визуальная оценка доли площади пленки, покрытой волокном, после отделения полиэтилена от бумаги вручную. При нор­ мальном режиме работы волокнами должно быть покрыто не менее 90°/о пло­ щади пленки. Кроме того, можно определить адгезию как сопротивление расслаи­ ванию бумаги с полиэтиленом на разрывной машине.

Степень активации поверхности полиэтилена оценивается по изменению вели­ чины угла смачивания полиэтилена дистиллированной водой или по углу на­ клона, при котором капля воды определенного размера Скатывается с пленки или ламинированной бумаги [109]. У необработанных образцов угол скатывания капли находится в пределах 10—19°.

Г Л А В А VI

БУМАГА С СИЛИКОНОВЫМ ПОКРЫТИЕМ (АНТИЛИПКАЯ)

СВОЙСТВА АНТИЛИПКОЙ БУМАГИ

Антилипкая бумага предназначена для изготовления внутрен­ них слоев бумажных мешков под брикеты синтетического каучука, расплавленный битум, канифоль и другие материалы, прилипаю­

82

щие к обычной бумаге. Она представляет собой мешочную бумагу, покрытую с одной стороны очень тонким слоем кремнийорганического вещества (силикона), почти всегда окрашенную со стороны покрытия, так как без подцветки покровный слой почти незаме­ тен. Благодаря покровному слою бумага приобретает отталкива­ ющие (антиадгезионные) свойства, воздухо- и паропроницаемость ее уменьшаются. Прочность антилипкой бумаги соответствует по­ казателям бумаги-основы. Отталкивающие свойства бумаги объяс­ няются ориентацией органических групп силикона на наружной поверхности пленки и образованием водородных связей между целлюлозой и группами окиси кремния, как показано на схеме

[ПО].

/?/////Г77Г7Г7/77Х/7?777///?/Л///7//7?7/7УЛ 7Х»7/»7Л 777

поверхность бумага - оснобы

Не исключается химическая реакция между силиконом и гид­ роксильными группами целлюлозы с образованием мостиков

SiO — С

c

7777777777777777777"

Целлюлоза

Частичная замена метальных групп на более разветвленные, например фенильные, ухудшает качество покрытия из-за снижения плотности «упаковки» атомов на поверхности силиконового слоя

[ПО, 111].

Основные показатели антилипкой мешочной бумаги следующие:

Сразу после изготовления антилипкая бумага еще не обладает требуемыми свойствами, поэтому рекомендуется применять ее по­ сле выдерживания в течение 2—3 недель при комнатной темпера­ туре для завершения процесса поликонденсации. Для возможности

изготовления мешков бумагу в местах, подлежащих склеиванию, сразу после нанесения силиконового покрытия обрабатывают ко­ ронным разрядом, что вызывает окисление и изменение ориента­ ции отдельных радикалов [111].

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АНТИЛИПКОИ БУМАГИ

Антилипкая бумага изготовляется из мешочной бумаги-основы массой 70—80 г/ж2, хорошо проклеенной, гладкой, обладающей низ­ кой воздухопроницаемостью. Рекомендуется бумага односторонней гладкости или каландрированная. Слишком сильное уплотнение за счет чрезмерного повышения степени помола или суперкалан­ дрирования непригодно, потому что при нанесении покрытий такая бумага будет скручиваться.

Для придания бумаге антиадгезионных свойств применяют кремнийорганические вещества (силиконы) в виде растворов в ор­ ганических растворителях или водных эмульсий. С целью сниже­ ния расхода дорогостоящих силиконов и получения поверхности требуемого качества бумагу предварительно покрывают другими пленкообразующими веществами, к числу которых относятся: ПВС, эфиры целлюлозы, модифицированные крахмалы, альгинат натрия.

Кремнийорганические полимеры, которые можно выразить об­ щей формулой

образовывать физиологически безвредные гидрофобные и термо­ стойкие пленки, обладающие низкой адгезией к липким материа­ лам и большой устойчивостью к старению. Многочисленные крем­ нийорганические полимеры подразделяются на смолы, каучуки и ліасла, отличающиеся соотношением органической части соедине­ ния R и кремния Si. Смолы имеют R/Si< 2 и дают устойчивую пленку с регулируемой степенью твердости и разными свойствами при отверждении. Силиконовые каучуки содержат R/Si = 2 и об­

Силиконовые масла отличаются максимальным содержанием органической части (R/Si>2), с трудом отверждаются и служат главным образом в качестве смазок.

Кремнийорганические полимеры (смолы и каучуки), раство­ ренные в органических растворителях (трихлорэтилене, толуоле, ксилоле, этилацетате), образуют на поверхности бумаги более вы­

84

растворами необходимо сложное оборудование во взрывобезопас­ ном исполнении с системой регенерации растворителей. Обычно растворами силиконов покрывают бумагу, предназначенную для разделения самоприклеивающихся этикеток и липких лент, покры­ тых составами на основе каучука.

Мешочную бумагу под битум, брикеты каучука покрывают, как правило, водными эмульсиями, включающими несколько видов кремнийорганических веществ, эмульгатор, загуститель и катали­ затор отверждения. Эмульсия приготав’ляется незадолго до исполь­ зования на предприятии, выпускающем мешочную бумагу.

Основным компонентом покровного состава является полидиметилсилоксан линейной структуры, содержащий небольшое ко­ личество реакционноспособных гидроксильных групп на концах

Вторым компонентом служит низкомолекулярный полиметил-

придающий гидрофобные свойства [112].

Для обработки мешочной бумаги может использоваться, на­ пример, силикон следующего состава:

В качестве катализаторіов отверждения, способствующих обра­ зованию мостиков между молекулами полимера и возникновению трехмерной структуры, применяются металлорганические соедине­ ния олова, цинка, титана, железа, эфиры моно- и дикарбоновых кислот. Например, триэтаноламинтитанат, диоктилмалеат цинка, диацетатдибутилолово, дилауратдибутилолово. Последний катали­ затор разрешается для силиконовых покрытий, непосредственно соприкасающихся с продовольственными продуктами [113]. Для приготовления эмульсии силиконов и катализаторов применяется поливиниловый спирт.

85

Поливиниловый спирт [C2H3OH]n представляет собой высокополярный гидрофильный нетоксичный полимер, способный к обра­ зованию эластичных гидрофильных пленок с малой газопроницаемкостью и низкой влагопрочпостью. Поливиниловый спирт (ПВС) содержит от 1 до 35% ацетатных групп и выпускается в виде по­ рошка белого цвета. Ниже приведена характеристика поливинило­ вого спирта различных марок:

С увеличением ацетатных групп повышается растворимость ПВС в воде и стабильность растворов, улучшаются эмульгирую­ щие свойства. С уменьшением ацетатных групп и возрастанием мо­ лекулярной массы увеличивается прочность и теплостойкость поли­

80—98% и добавляемых веществ, повышающих водоустойчивость покровного слоя. Поливиниловый спирт относительно дорог и его часто заменяют натриевой солью карбоксиметилцеллюлозы.

Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (ЫаКМЦ) получа­ ется в результате обработки а’лкалицеллюлозы натриевой солью монохлоруксусной кислоты и представляет собой мелкозернистый или порошкообразный продукт белого или слегка желтого цвета.

Теоретически возможно замещение трех гидроксилов целлю­ лозы у второго, третьего и шестого атомов углерода на эфирные группы, но практически получают ЫаКМЦ со степенью замещения ■от 0,3 до 1,2. Водорастворимая ЫаКМЦ имеет степень замещения выше 0,5. NaKM-Ц анионоактивна и коагулирует в кислой среде или органических растворителях (спирте, ацетоне).

Регулируя в процессе получения степень полимеризации, вы­ рабатывают карбоксиметилцеллюлозу низкой, средней и высокой вязкости. С повышением степени полимеризации (молекулярной

массы) улучшаются связывающие пленкообразующие свойства

NaKMH.

Применяется ЫаКМЦ главным образом в качестве загустителя эмульсий и паст.

«6

cd

ej

О

87

Технический продукт содержит около 50% сопутствующих солей {хлористый натрий, соду, ацетат натрия), повышающих гигроско­ пичность материала, ускоряющих старение плевок и способствую­ щих коагуляции эмульсии при совместном применении других ве­ ществ.

После промывки этиловым спиртом соли почти полностью уда­ ляются и очищенная NaKMIJ, становится физиологически безвред­ ной.

Свойства ЫаКМЦ, используемой для грунтовки бумаги, при­ ведены в табл. 25.

С целью повышения содержания сухого вещества и получения надлежащих пленкообразующих свойств покрытия в состав грун­ тующей смеси вводят низковязкую и высоковязкую ЫаКМЦ и окисленный крахмал.

Для повышения влагопрочности покровного слоя можно доба­ влять мочевино-формальдегидную смолу, глиоксаль или диальде­ гид крахмала. Наиболее применимы для грунтовки модифициро­ ванные пленкообразующие крахмалы, например полиоксиметил-

Натуральный картофельный и кукурузный крахмалы для грун­ товки бумаги не годятся, так как даже при низкой концентрации дают вязкие растворы, не образующие пленки. Выбор материала для грунтовки в большинстве случаев определяется экономиче­

скими соображениями и конструкцией используемого оборудова­ ния.

88

ПРИГОТОВЛЕНИЕ ПОКРОВНЫХ СОСТАВОВ

Оборудование для приготовления грунтовочных составов и си­ ликоновой эмульсии включает котлы с паровой рубашкой и ме­ шалками для растворения химикатов, баки для смешения и хра­ нения отдельных компонентов и смесей, дозирующие и центробеж­ ные насосы. Емкости сосудов составляют от 0,02 до 2 ж3. Частота вращения мешалок 1000—1500 об/мин. Только эмульгатор имеет быстроходную мешалку (3000 об/мин).

Состав для грунтовки бумаги. ЫаКМЦ засыпается в котел в холодную воду и растворяется при непрерывном перемешива­ нии. Нагревание до 60—70° С ускоряет растворение. Готовый ра­ створ ЫаКМЦ с концентрацией 2—5%, перекачивается насосом в следующую емкость, где смешивается с раствором крахмала.

Крахмал (модифицированный) засыпается в соседний котел в холодную воду при включенной мешалке, нагревается до 70— 80° С и выдерживается при этой температуре 20—30 мин. Концент­ рация крахмального клейстера 20—30%. Готовый раствор крах­ мала быстро охлаждается и перекачивается в емкость для смеши­ вания с ЫаКМЦ в заданной пропорции. Соотношение ЫаКМЦ и крахмала зависит от качества использованных материалов, свойств поверхности бумаги-основы и может составлять, например, 2: 1 по сухому веществу или 10:1 по объему. Подцветка грунтовочного состава осуществляется водорастворимыми красителями на любой стадии его приготовления. Готовая смесь перекачивается в расход­ ную или запасную емкость, оттуда поступает в рабочий сосуд, рас­ положенный рядом с машиной для обработки бумаги. Перелив из ванны наносящего устройства поступает в сборник, из кото­ рого насосом перекачивается через фильтр в рабочий сосуд.

Если грунтовка бумаги производится на двухсекционной ма­ шине, то концентрации грунтовочной смеси и силиконовой эмуль­ сии должны быть достаточно близкими по величине, чтобы можно было обеспечить нормальную скорость сушки в обеих секциях ма­

в расходную емкость. Раствор ПВС концентрацией 8—10% через дозирующий насос поступает в эмульгатор с быстроходной мешал­ кой, куда небольшими порциями вводится необходимое количество силикона, предварительно растворенного в толуоле или трихлорэти­ лене. Содержание сухого силикона в растворе обычно составляет 50—60%. Перемешивание в эмульгаторе продолжается до получе­ ния однородной нерасслаивающейся эмульсии. Соотношение сили­ кона и ПВС (по сухому веществу) может изменяться, но количе­ ство ПВС не должно превышать 30%.

Эмульсия самотеком поступает в следующий сосуд с мешалкой,, где разбавляется (примерно в 2 раза) водой или загустителем (ЫаКМЦ) до требуемой концентрации и подкрашивается водораст­ воримым красителем. Готовая смесь перекачивается в расходный

89