Материал: Разработка целлюлозно-композиционного материала с холодносвариваемым покрытием

О количестве наполнителей в бумаге судят по ее зольности. Зная естественную зольность волокна и потерю при прокаливании минерального наполнителя в процессе озоления бумаги, нетрудно подсчитать количество наполнителя, содержащегося в бумаге. Для большинства наполнителей, кроме мела, истинное их содержание в бумаге мало отличается от значения ее зольности.

По содержанию наполнителей все виды бумаги условно можно разбить на четыре группы: бумага с естественной зольностью волокна (т. е. без наполнителей), малозольная, с содержанием золы до 5%, средней зольности (до 12-15% золы) и высокозольная бумага, с содержанием золы выше 15%.

Минеральные наполнители оказывают влияние на многие свойства бумаги: толщину, объемный вес, впитывающую способность, воздухопроницаемость, деформацию, гладкость и лоск, белизну, непрозрачность, механическую прочность, степень проклейки и пр. Степень влияния на эти показатели зависит от вида и количества вводимых наполнителей.[2]

.1.2 Меловальная суспензия

Для придания бумаге специальных свойств на ее поверхность наносят покровный слой, состоящий из минеральных пигментов, клеящих веществ, восковых эмульсий, смол и других органических веществ в зависимости от назначения бумаги. Такие окрашенные с поверхности виды бумаги применяются для книжной и журнальной продукции, для обоев, фотобумаги, гранитоля, клеенок, декоративных изделий и упаковки. Покровные слои наносятся на бумагу на специальных бумагокрасильных машинах с одной или с двух сторон. Обычно покровную массу наносят на поверхность бумаги валиками, щеточным или шаберным устройством, затем бумагу высушивают в потоке теплого воздуха и каландрируют.

В композицию меловалыюй суспензии входят пигменты, составляющие наибольшую часть сухого покрытия (70-90 % от веса,сухих веществ), полимеры связующие и технологические добавки такие, как диспергаторы, сшивающие агенты, пластификаторы, пеногасители, аитивспениватели и др.

Пигменты - мелкодисперсные неорганические вещества нерастворимые в воде. Они вводятся в покрытия для придания бумаге или картону гладкой поверхности, белизны, непрозрачности и хороших печатных свойств. При необходимости они могут обеспечивать такие свойства покрытия как высоколощеную или матовую отделку, цвет или оттенок, непроницаемость для тех или иных красок и лаков.

Наиболее часто применяемые белые пигменты: каолин, карбонат кальция, тальк, бланфикс, сатинвейс, диоксид титана, цинковые пигменты и др. Выбор пигмента определятся как качеством готовой продукции, так и видом наносящею устройства, которое предъявляет определенные требования к концентрации и вязкотекучим свойствам меловальных суспензий. Однако, пигмент одного вида не может обеспечить весь комплекс требуемых печатных и оптических свойств, поэтому в композиций используется смесь пигментов. Например, для повышения белизны и считывающей способности к одному пигменту каолину добавляют мел, для повышения непрозрачности диоксид титана, для повышения белизны сатинвейс или бланфикс.

Полимеры связующие являются вторым основным компонентом меловальной суспензии и составляют 5-25 % массы покрытия. Назначение связующего состоит в том, чтобы связать частицы пигмента друг с другом в сухом покровном слое и обеспечить прочное соединение с бумагой-основой. Вид связующего, количество его но отношению к пигментам и характер его распределения в покровном слое регулирует поглощение печатных красок. Кроме того, связующее служит носителем пигментов, способствует удержанию их во взвешенном состоянии, определяет вязкотекучие свойства суспензии и регулирует ее водоудерживаемость.

Связующее оказывает влияние на следующие свойства мелованной продукции: лоск, белизну, непрозрачность, эластичность, впитываемость печатной краски, сопротивляемость выщипыванию, водоустойчивость, структуру покрытия. Идеальное связующее должно иметь низкую стоимость, хорошую адгезию к частицам пигмента и волокнистой основе, низкий удельный вес и показатель преломления, хорошую диспергирующую способность в отношении пигментов. Связующее должно подвергаться процессу сшивки, быть светоустойчивым и сохранять высокую белизну после сушки, давать стабильные во времени покровные суспензии, быть устойчивым к воздействию бактерий, грибков и насекомых, не образовывать пены.

В качестве связующих наиболее часто используют казеин, крахмал (природный и модифицированный), водорастворимые эфиры целлюлозы, поливиниловый спирт, различные латексы и др.

Высокие требования, предъявляемые к связующим веществам не могут быть обеспечены при применении одно связующего. Хорошие результаты получаются при совместном применении натуральных и синтетических связующих, причем доля последних составляет от 50 % до 90 %.[2]

Основные характеристики и свойства пигментов приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Основные характеристики пигментов

Таблица 2. Преимущества и недостатки различных пигментов

Как уже было сказано, основной компонент меловальной суспензии - это пигмент или их сочетание. Остальные компоненты подбираются в зависимости от основного.

.1.3 Покрытие

Состав покрытия принимается на основе патента упаковочной холодносвариваемой бумаги (Патент SU 1090778). Она состоит из бумаги-основы и одностороннего покрытия на основе клея холодной сварки. Предназначена для склеивания упаковки под давлением без нагрева. Одностороннее покрытие представляет из себя смесь синтетических каучуков и специальных добавок.

Руководствуясь представленным патентом, принимается следующая рецептура: цис-1,4-полиизопреновый и бутадиенкарбоксилатный латексы, с целью снижения поверхностной липкости покрытия и снижения себестоимости бумаги, покрытие дополнительно содержит минеральный наполнитель.

Соотношении компонентов покрытия, мас. %:

цис-1,4-Полиизопреновый латекс 33-42

Бутадиенкарбоксилатный латекс   33-42

Минеральный наполнитель  16-34.

Бумага-основа и покрытие взяты при следующем соотношении, мас. %:

Бумага-основа    90-95

Покрытие  5-10

Латексы - коллоидные водные дисперсии полимеров с диаметром частиц 50-300 нм, стабилизированные ПАВ, содержащими гидратирующие группы.

Поверхностная липкость покрытия является одним из основных показателей качества холодносвариваемой бумаги. Этот показатель прогнозирует поведение бумаги в процессе её хранения в рулоне с точки зрения возможности слипания смежных слоев, в результате чего бумага становится непригодной для использования. Использование минерального наполнителя практически исключает явление слипаемости бумаги в рулонах.[3,4]

.2      Используемый способ печати

Упаковка таблеток в "стрипы" бумагой с холодносвариваемым покрытием в настоящее время не имеет столь широкого распространения. Для обеспечения необходимых объемов и качества печати выбирается офсетный способ.

В офсетной печати печатающие и пробельные элементы печатной формы лежат в одной плоскости. Печатающие элементы обладают гидрофобными свойствами, т.е. способностью отталкивания воды, и одновременно олеофильными свойствами, позволяющими им воспринимать краску. В то же время пробельные (непечатающие) элементы печатной формы, наоборот, имеют гидрофильные и в то же время олеофобные свойства, благодаря чему они воспринимают воду и отталкивают краску. Этот процесс происходит в результате физических явлений на поверхности раздела сред (рис.1).

Рис. 1. Офсетная печать (способ плоской печати):

а) принцип нанесения краски на форму;

б) компоненты печатного аппарата

Перед печатью пробельные участки печатной формы покрываются тонким слоем увлажняющей жидкости. Этот раствор (состоящий из воды и вспомогательных добавок) равномерно распределяется увлажняющими валиками. Для хорошего смачивания пробельных элементов формы требуется уменьшение сил поверхностного натяжения путем добавления в увлажняющий раствор специальных веществ. Слишком сильное уменьшение поверхностного натяжения может в пределе приводить к образованию эмульсии печатной краски и увлажняющего раствора. Точного их разделения при нанесении краски на печатную форму в этом случае не произойдет.

Правильное осуществление офсетного печатного процесса зависит от многих физико-химических явлений, связанных с материалами и компонентами, принимающими участие в нем.

Влияние запечатываемого материала определяется свойствами запечатываемого материала (гладкость, впитывающая способность, смачиваемость), величиной рН запечатываемого материала, печатными свойства (деформация при натяжении, выщипывание, прочность на разрыв).[5]

.3      Схема материала

Данный материал в настоящее время используется для упаковки таблетированных форм, такая упаковка называется "стрип". В основном так упаковывают дешевые препараты и, соответственно, упаковка не должна быть дорогой. Материал состоит из трех слоев:

. Бумага-основа. К ней не предъявляется строгих требований по прочностным показателям. Она должна быть подходящей для нанесения меловального покрытия и печати с одной стороны и для нанесения клея холодной сварки с другой.

. Меловальный слой для обеспечения качества печати и товарного вида.

. Слой холодносвариваемого покрытия обеспечивает соединение двух листов материала с упакованными между ними таблетками. Так же этот слой обеспечивает механические и барьерные свойства.

Рис. 2. Схема ЦКМ

2. Составление композиции бумаги-основы

.1      Показатели качества бумаги-основы для нанесения покрытий

Свойства бумаги оценивают рядом показателей: масса 1 м2, толщина, влажность, впитывающая способность, разрушающие усилие, белизна, гладкость.

Требуемые для каждого вида бумаги свойства обеспечиваются выбором соответствующих полуфабрикатов, их обработкой и введением в состав бумаги проклеивающих, связывающих, наполняющих, красящих веществ, наклеиванием на поверхность бумаги полимерных пленок.

.2      Составление композиции

Бумага-основа содержит хвойную сульфатную беленую целлюлозу и хвойную сульфитную беленую целлюлозу, что обеспечивает высокие прочностные показатели, например, разрывная длина 5500 м, а также достаточную белизну. [4]

Минеральный наполнитель каолин вводится в небольших количествах в основном для увеличения светонепроницаемости и гладкости.

Проклеивающие компоненты: канифольный клей, квасцы, поливиниловый спирт.

Цель проклейки бумаги канифольным клеем (смоляной проклейки) заключается в том, чтобы снизить ее впитывающую способность по отношению к воде и водным растворам и сделать пригодной для печати офсетным способом.

Для осаждения смоляного клея и закрепления его на волокне применяются алюминиево-калиевые или алюминиево-аммонийные квасцы.

Поливиниловый спирт добавляется в качестве связующего, он также улучшает газо-, жиро-, водонепроницаемость.

Содержание компонентов, мас. %:

Беленая хвойная сульфатная целлюлоза 67-70

Беленая хвойная сульфитная целлюлоза 10-15

Каолин 3-5

Канифольный клей  2-3

Квасцы 4-6

Поливиниловый спирт 2-4

Размол волокнистых полуфабрикатов производят в размалывающей аппаратуре до 30-40º ШР. В размолотую волокнистую массу вводят минеральные вещества в количестве, обеспечивающем достижение зольности бумаги 4%, степени проклейки 1,75-2 мм.

Отлив бумажного полотна осуществляют на бумагоделательной машине, в сушильной части которой смонтирован клеильный пресс. Бумажное полотно влажностью 12-15% поступает на клеильный пресс, где его подвергают пропитке водным раствором поливинилового спирта концентрацией 5%. Готовую бумагу-основу каландрируют до гладкости 130 с. Основные показатели бумаги-основы представлены в таблице 3.

Таблица 3. Основные показатели качества бумаги-основы для нанесения латексных покрытий