Меню

Материал подготовлен Содиковым Исмоилом, инженером инновационно-технологического центра "Современные технологии переработки биоресурсов Севера".  

Если вы нашли неточности в переводе, свяжитесь, пожалуйста, с Исмоилом. Вы можете написать Исмоилу, какие темы в области ЦБП вам интересны, и мы о них напишем. С Исмоилом можно связаться по телеграмму. 

Если у вас есть интересные материалы и наработки, которыми вы хотели бы поделиться с коллегами, мы с радостью их опубликуем. Также мы ищем редакторов направлений Целлюлоза, Лайнеры, Другие картоны (специальные виды картонов). Если бы вы хотели писать и редактировать статьи на технические темы, свяжитесь с Ириной Летягиной. 

Проникновение водных клеевых составов в пористые субстраты играет важную роль в скорости схватывания и конечной прочности соединений при производстве бумажной упаковки. Такие клеи являются популярной альтернативой горячим клеевым расплавам благодаря более низкой стоимости и простоте применения.

Типичные водные клеи, применяемые для этикетирования, включают:

- декстрины,

- крахмалосодержащие гелевые составы,

- морозостойкие казеины и неказеиновые клеи,

- поливиниловый спирт,

- сополимеры винилацетата с этиленом,

- и акриловые дисперсии.

Клеи используются для изготовления различных продуктов, таких как гофрокартон и упаковочные коробки. Водные клеи схватываются за счёт впитывания воды волокнами, при этом полимер осаждается в зоне соединения, а также вследствие испарения воды. Когда используется латекс, по мере удаления воды полимер формирует сплошную плёнку. Этот процесс сопровождается увеличением вязкости клея и образованием твёрдого материала после испарения воды.

Процесс отверждения клея в бумаге уникален: по мере проникновения клеевой состав меняет свойства из-за впитывания влаги волокнами. Несмотря на широкое применение, в литературе почти не представлено теоретических исследований, описывающих параметры, влияющие на скорость схватывания и конечную прочность соединения.

Глубину проникновения клея можно измерять по поперечным срезам с использованием микроскопии. Так, Ninness и соавт. показали, что отверждение водного клея зависит от наличия покрытия и исследовали его проникновение с помощью сканирующей электронной микроскопии и конфокальной лазерной микроскопии. Ранее в покрытиях использовались различные типы связующих, однако конкретные данные по глубине проникновения не публиковались.

Также изучалось поведение дисперсионных клеёв: клеевые составы с разной вязкостью наносились на картон, соединённый с растягивающим устройством, фиксирующим усилие во времени. Было установлено, что ключевыми факторами, влияющими на отверждение, являются реологические свойства клея и структура поверхности картона. Хотя по древесным субстратам накоплено достаточно данных, исследований по бумаге значительно меньше.

Методы и материалы

В рамках данного исследования в качестве подложек использовались два типа бумажных материалов: немелованный картон и картон, покрытый пигментным слоем с различным содержанием латекса. Немелованная бумага была изготовлена из отбелённой бездревесноймассы и имела плотность 336 г/м². Бумажные образцы были предоставлены компанией SAPPI North America (Бостон, США). Для получения мелованного картона применялся каолиновый пигмент со средним размером частиц (Premier, Imerys, Франция) и латексное связующее на основе стирол-акрилатной дисперсии Acronal S 504 na (BASF, Германия). Пигментная суспензия, содержащая 60% твёрдых веществ, наносилась вручную на одну сторону картона с помощью проволочного наносителя. После нанесения образцы сушили при температуре 100 °C в течение 5 минут. Содержание латекса в покрытии составляло либо 10, либо 40 частей на 100 частей пигмента, что позволило варьировать степень проницаемости полученного покрытия.

В качестве клеевого состава использовался промышленный водный клей Aquence BG 0214 (Henkel, Германия), который в ряде экспериментов разбавлялся дистиллированной водой до содержания сухих веществ 45% и 55%. Все образцы характеризовались по таким параметрам, как масса (basis weight), толщина, доля пустот в структуре (пористость), воздухопроницаемость по методу Гёрли, а также смачиваемость поверхности с определением контактного угла.

Для количественного определения пористости использовался метод впитывания силиконового масла. Бумажные образцы насыщались маслом, после чего рассчитывалось изменение массы. Эта разница, делённая на плотность масла и площадь образца, позволяла определить общий объём впитанных жидкостью пор. Учитывая толщину образца, рассчитывалась объёмная доля пустот. Такой подход обеспечивает достаточно надёжную оценку пористости как немелованных, так и мелованных образцов.

Характеристика вязкости клеевых растворов проводилась отдельно в зависимости от содержания твёрдых веществ и приводится в более ранней работе одного из авторов. Для получения полных данных о физико-механических свойствах использовались стандартные лабораторные методики. Все параметры, полученные для исходных образцов, приведены в таблице 1. Измерения показали, что картон с покрытием имеет слегка большую толщину и значительно меньшую воздухопроницаемость. Особенно примечательно, что при увеличении содержания латекса в покрытии проницаемость снижалась на несколько порядков по сравнению с немелованным картоном.

Такая систематическая подготовка образцов и комплексная их характеристика позволили обеспечить воспроизводимость экспериментов и провести дальнейший количественный анализ проникновения клея в подложку и покрытия, а также оценить влияние состава, структуры и технологических параметров на конечную прочность клеевого соединения.

Результаты и обсуждение 

Экспериментальные данные показали, что глубина проникновения водного клея в немелованный картон оставалась практически неизменной при варьировании времени прессования, приложенного давления и концентрации твёрдых веществ в клее. При всех этих параметрах глубина составляла приблизительно 35–40 мкм. Это значение хорошо совпадает с теоретически рассчитанным максимумом, основанным на массе нанесённого клея, и указывает на то, что проникновение не контролируется этими внешними факторами в исследуемом диапазоне. Вероятным объяснением такого результата является тот факт, что после завершения короткого этапа прессования клей продолжает проникать в структуру картона за счёт капиллярных сил во время последующей сушки. Это согласуется с дополнительными наблюдениями, не представленными в статье, согласно которым проникновение клея ограничивается не временем его контакта с подложкой, а постепенной закупоркой пор в процессе впитывания.

При нанесении клея на картон с мелованным покрытием, содержащим 10 частей латекса на 100 частей пигмента (10 pph), глубина проникновения оказалась сопоставимой с немелованным вариантом. Ни давление, ни продолжительность прессования, ни концентрация твёрдого вещества не изменяли глубину проникновения. Это свидетельствует о том, что структура покрытия с низким содержанием латекса остаётся достаточно пористой для прохождения клея. Возможно, благодаря широкому распределению размеров частиц в составе клея, часть из них проходит сквозь поры покрытия, достигая подложки. При этом следует учитывать, что метод определения проникновения на основе впитывания силиконового масла имеет ограничения: в покрытых системах с морфологической неоднородностью точность может снижаться. Тем не менее, модель, учитывающая только начальные параметры, в ряде случаев недооценивала глубину проникновения, что, вероятно, связано с дополнительным впитыванием воды в волокна, не учтённым в расчётах.

Существенно иные результаты наблюдались при использовании покрытия с высоким содержанием латекса — 40 pph. В этом случае глубина проникновения клея резко снижалась и становилась соизмеримой с толщиной самого покрытия. Плотная структура покрытия, обусловленная высоким содержанием связующего, ограничивала прохождение клея. В отдельных случаях часть клея не проникала в толщу подложки, а оставалась в межслойном пространстве. В таких образцах модель Дарси, откорректированная по вязкости, переоценивала глубину проникновения, тогда как модель без учёта роста вязкости лучше соответствовала эксперименту на длительных временах прессования.

Интересно, что прочностные испытания методом отрыва выявили противоположную тенденцию: максимальная прочность соединения наблюдалась у образцов с покрытием, содержащим 40 pph латекса, несмотря на то, что именно в этих образцах глубина проникновения клея была наименьшей. Такой результат объясняется высокой прочностью самого покрытия. При отрыве происходило разрушение не в области клеевого шва, а в волокнистом слое подложки, что указывает на надёжное соединение. Напротив, в образцах с покрытием 10 pph клеевой слой проникал глубже, но разрушение происходило в самойструктуре покрытия, что ограничивало прочность соединения. Немелованные образцы демонстрировали аналогичное поведение: при достаточном проникновении клея происходило вытягивание волокон из подложки, что подтверждает эффективность механического зацепления.

Таким образом, прочность соединения зависит не только от глубины проникновения клея, но и от прочности той части структуры, в которую клей проникает. Для достижения оптимальных характеристик необходимо учитывать, как проницаемость подложки, так и её сопротивление отрыву. Это подчёркивает важность комплексного подхода при выборе состава покрытия и условий нанесения клея.

Выводы

Проведённое исследование позволило подробно проанализировать особенности проникновения водного клея в картон и мелованный картон с различными характеристиками поверхности. Было установлено, что в случае немелованного картона, а также при наличии покрытия с низким содержанием латекса (10 pph), глубина проникновения клея оставалась в пределах 35–40 микрометров и практически не зависела от таких технологических параметров, как давление, время прессования и начальная концентрация сухих веществ в клеевом составе. Эти значения хорошо согласуются с расчётными максимумами, полученными на основе массы нанесённого клея, что свидетельствует о достижении предельного объёма впитывания, ограниченного пористой структурой материала и эффектом закупорки.

При увеличении доли латекса в покрытии до 40 pph наблюдалось заметное снижение глубины проникновения. В этом случае клеевой состав практически не проникал за пределы слоя покрытия, что связано с его уплотнением и уменьшением числа доступных пор. Тем не менее, именно при этом варианте наблюдались наилучшие значения прочности клеевого соединения, что указывает на важную роль прочностных характеристик самого покрытия. Там, где покрытие обладало высокой механической устойчивостью, отрыв происходил не по линии клеевого шва, а в слое волокон, что является признаком прочного механического сцепления.

Таким образом, можно заключить, что высокая прочность соединения достигается не только за счёт глубины проникновения клея, но и благодаря прочности той области, в которую он проникает. При недостаточно прочном покрытии разрушение происходит внутри самого слоя, даже при хорошем проникновении, в то время как при прочном покрытии надёжность сцепления увеличивается даже при ограниченном проникновении. Это подчёркивает необходимость комплексного подхода, учитывающего не только физико-химические свойства клеевого состава, но и структуру и характеристики подложки.

Дополнительно следует отметить потенциал метода силиконового масла как инструмента оценки проникновения клея. Несмотря на некоторые ограничения, особенно при анализе сложных многослойных систем, метод позволяет получить приближённую, но воспроизводимую оценку глубины проникновения без необходимости разрушения образца или сложных микроскопических процедур. В сочетании с механическими испытаниями он может быть полезен при оптимизации рецептур клеевых систем и условий склеивания в упаковочной промышленности.