Назад
42
Бумага и картон остаются ключевыми материалами в упаковочной промышленности благодаря своей экологичности, возобновляемости и универсальности. Однако их гигроскопичность, обусловленная присутствием гидрофильных компонентов (целлюлоза, гемицеллюлоза), приводит к значительным изменениям механических свойств при колебаниях влажности. Для упаковочных материалов, особенно гофрированного картона, жесткость при изгибе является критически важным параметром, определяющим их способность сохранять структурную целостность при переменных атмосферных условиях.
Жесткость при изгибе зависит от модуля упругости и толщины материала, причем зависимость от толщины является кубической. Это делает данное свойство чрезвычайно чувствительным к микроструктурным изменениям, вызванным влажностными деформациями. Данное исследование систематически анализирует влияние различных факторов на стабильность жесткости при циклическом изменении влажности.
Материалы и методы
Приготовление волокнистых суспензий
В работе использовались два типа исходного сырья:
-
Небеленая сульфатная хвойная целлюлоза (UKP)
-
Волокна из старых гофрированных картонов (KOCC) корейского производства
Для получения фракций с различной длиной волокон применялась многоступенчатая обработка:
-
UKP: размол до 450 мл CSF с последующей классификацией на ситах 25 и 50 меш
-
KOCC: диспергирование при 2%-ной консистенции с последующей классификацией
Формование и сушка образцов
Лабораторные листы массой 100 г/м² формовались согласно стандарту TAPPI T205 sp-02. Особое внимание уделялось:
-
Созданию серий с содержанием мелких волокон от 0% до 20%
-
Формованию двухслойных листов с различным распределением мелких волокон по слоям
-
Применению двух методов сушки: цилиндровой при 120°C и Condebelt при 160°C под давлением 5 бар
Методика испытаний
Образцы подвергались циклическому кондиционированию при четырех уровнях относительной влажности (32%, 51%, 74%, 94%) с контролем влагосодержания. Измерения включали:
-
Толщину по TAPPI T411 om-97
-
Модуль упругости при растяжении по TAPPI T220 sp-01
-
Жесткость при изгибе по TAPPI T556 om-11
Результаты и обсуждение
Влияние содержания мелких волокон
Добавление мелких волокон до 15% повышало прочность на растяжение, но одновременно увеличивало усадку при сушке. При содержании более 10% мелких волокон наблюдалась необратимая потеря жесткости при циклическом изменении влажности, что связано с микродеформациями в зонах контакта волокон.
Таблица 1. Прочность на разрыв однослойных лабораторных листов, содержащих разное количество мелких фракций при относительной влажности 51% и температуре 23 °C.
|
Образец |
S-00 |
S-05 |
S-10 |
S-15 |
S-20 |
|
|
Содержание мелких фракций (%) |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
|
|
Прочность на растяжение, кН/м |
Среднее значение |
7.55 |
8.51 |
9.01 |
9.68 |
9.72 |
|
Стандартное отклонение |
0.50 |
0.36 |
0.44 |
0.69 |
0.69 |
|
Рис. 1. Модуль упругости, толщина и жёсткость на изгиб однослойных лабораторных листов, содержащих 0% (красный цвет, S-00) и 20% (синий цвет, S-20) мелких фракций, в зависимости от содержания влаги.
Двухслойная структура
Двухслойные листы демонстрировали на 20–25% большую жесткость благодаря увеличенной толщине и оптимальному распределению мелких волокон. Симметричное расположение слоев с повышенным содержанием мелких волокон на поверхностях обеспечивало лучшие механические характеристики.
Рис. 2. Модуль упругости, толщина и жесткость при изгибе двухслойных листов с содержанием мелких волокон 5% (TP-0505) и 20% (TP-2020) в зависимости от влагосодержания в сравнении с однослойными листами.
Эффект сушки Condebelt
Ограниченная сушка под давлением позволила сократить усадку на 60% и сохранить обратимость жесткости даже при высоком содержании мелких волокон. Плотность листов увеличилась на 15%, а модуль упругости - на 20% по сравнению с цилиндровой сушкой.
Рис. 3. Модуль упругости, толщина, жёсткость на изгиб и кажущаяся плотность однопластовых лабораторных листов, высушенных на кондебелт-сушилке (C‑20, синий) и на сушильном цилиндре (S‑20, красный), содержащих 20% мелких фракций.
Рекуперированные волокна (KOCC)
Листы из рекуперированных волокон показали большую толщину и меньший модуль упругости, но повышенную жесткость благодаря объемной структуре (рис. 4). Необратимая гомерификацияволокон привела к снижению расширения и полной обратимости свойств при циклической влажности.
Рис. 4. Толщина листов из OCC с различным содержанием мелких волокон и жесткость при изгибе листов из OCC с содержанием мелких волокон 0% и 20%.
Выводы
-
Оптимальное содержание мелких волокон составляет 5–10% для обеспечения обратимости свойств
-
Двухслойная структура с асимметричным распределением волокон повышает жесткость на 20–25%
-
Сушка Condebelt обеспечивает стабильность свойств при переменной влажности
-
Рекуперированные волокна требуют специальных режимов обработки для сохранения механических характеристик
Практическая значимость: Результаты исследования позволяют разрабатывать упаковочные материалы с прогнозируемым поведением в условиях реальной эксплуатации, что особенно важно для логистики и хранения продукции в различных климатических условиях.
