Введение к работе
Актуальность темы. Динамично развивающийся рынок товаров народного потребления в России, автоматизация процессов упаковки и рост конкуренции на рынке сбыта привели к повышению роли упаковочных материалов и росту спроса на них.
Тара из бумаги и картона является наиболее экологически чистым современным видом упаковки и занимает во всем мире ведущее положение. Российский рынок бумаги и картона динамично развивается. Темпы роста объемов потребления целлюлозно-бумажной продукции на Российском рынке значительно превышают среднемировые и составляют около 6% в год. В то же время Россия имеет отрицательный торговый баланс по бумажной и картонной продукции в связи с тем, что импортирует дорогостоящую наукоемкую продукцию, такую как высококачественные материалы для тары и упаковки, мелованную бумагу и картон, а экспортирует дешевую газетную бумагу и крафт-лайнер.
К наукоемким видам бумаги и картона относятся целлюлозные композиционные материалы (ЦКМ), в частности, для производства упаковки. ЦКМ, выпускаемые в настоящее время на Российских предприятиях, не обеспечивают тех требований, которые предъявляются к высококачественной упаковке. Высококачественная упаковка должна обеспечивать не только сохранность товара, но также и способствовать продаже товара, неся на себе информационную и художественную функции. Для передачи текстовой и изобразительной информации материал, из которого сделана упаковка, должен иметь не только высокие физико-механические показатели, но и высокие печатные и оптические свойства, легко перерабатываться при использовании цифровой печати и новых поколений полиграфического оборудования.
«Стратегия развития лесного комплекса РФ на период до 2020 года» предусматривает освоение и производство наукоемких видов бумаги и картона. Это делает весьма актуальными исследования, направленные на разработку научных основ создания высококачественных тароупаковочных ЦКМ информационно-художественного назначения. Развитие научного направления и создание наукоемкой технологии позволит осуществить импортозамещение при одновременном увеличении глубины переработки исходного сырья. Это обеспечит расширение экспортного потенциала, а также сохранение приоритета существующей отечественной научной школы в области структурной физико-химии целлюлозы, целлюлозных композиционных материалов, а также других растительных полимеров. В связи с этим тема данной диссертационной работы является весьма актуальной.
Развитие научного направления и создание многослойных ЦКМ для высококачественной упаковки осуществляется на основе фундаментальных исследований в области структурной физико-химии целлюлозы. Теоретической базой является концепция об определяющей роли релаксационного состояния полимеров при получении целлюлозных композитов.
Цель и задачи исследования. Создание научных основ и технологии многослойных целлюлозных композиционных материалов для высококачественной упаковки с заданным балансом гидрофильно-гидрофобных свойств поверхности и заданной капиллярно-пористой структурой основы (бумаги или картона) при использовании в качестве основного волокнистого полуфабриката как сульфатной, так и сульфитной целлюлозы.
В соответствии с целью диссертационной работы решались следующие задачи:
проведение системного анализа взаимосвязи между видом волокнистого полуфабриката – химией мокрой части – капиллярно-пористой структурой основы (бумаги или картона) – поверхностной обработкой (проклейкой и мелованием) – свойствами готовой продукции;
исследование возможности снижения усадочных напряжений, возникающих при поверхностной проклейке и приводящих к нарушению сплошности покрытия ЦКМ;
разработка путей повышения печатных и оптических свойств мелованных ЦКМ;
исследование возможности обеспечения термостойкости и длительного срока хранения ЦКМ для высококачественной упаковки;
изучение влияния химии мокрой части (вида, количества и точек дозирования наполнителя, проклеивающего реагента, системы удержания) на формирование капиллярно-пористой структуры основы (бумаги и картона);
изучение возможности производства бумаги и картона из сульфитной целлюлозы в слабощелочной среде;
научное обоснование технологии многослойных ЦКМ для высококачественной упаковки.
Методы исследования. Научные положения диссертации основываются на системном анализе теоретических работ в области переработки бумаги и картона и базируется на концепции, развиваемой профессором Акимом Э.Л. и его научной школой, о роли направленного изменения физического (релаксационного) состояния полимеров при производстве ЦКМ. Обоснованность и достоверность экспериментальных результатов подтверждается использованием современных методов исследований, приборов и оборудования. Обработка экспериментальных данных выполнялась с использованием общепринятых методов математической статистики.
Научная новизна. В диссертации впервые:
разработаны научные основы создания многослойных целлюлозных композиционных материалов для высококачественной упаковки информационно-художественного назначения с минимальной величиной усадочных напряжений, обусловливающих сплошность покрытия, с заданным балансом гидрофильно-гидрофобных свойств поверхности и с заданной капиллярно-пористой структурой основы (бумаги или картона), обеспечивающей направленное формирование структуры покрытия и композиционную устойчивость материала;
при нанесении на основу покрытий из растворов полимеров установлено влияние капиллярно-пористой структуры подложки на процесс фазового разделения в системе «полимер – растворитель» и величину усадочных напряжений, возникающих в покрытии;
на основании результатов модельных экспериментов показано, что внутренние напряжения, возникающие при поверхностной проклейке основы и влияющие на сплошность покрытия, зависят от скорости протекания релаксационных процессов и определяются усадкой, развивающейся после перехода растворов в студнеобразное состояние;
предложено для снижения усадочных напряжений направленно регулировать студнеобразование при поверхностной проклейке за счет изменения капиллярно-пористой структуры основы, использования в композиции бинарных систем – растворов полимеров с низкой и высокой молекулярной массой или раствора гидрофильных полимеров и дисперсии гидрофобных сополимеров. Разработаны композиции, обеспечивающие минимальные усадочные напряжения, обусловливающие сплошность покрытия и заданный баланс гидрофильно-гидрофобных свойств поверхности;
предложен механизм формирования структуры покрытия, заключающийся в том, что при поверхностной проклейке композицией раствор модифицированного крахмала – дисперсия термопластичного сополимера, пленкообразование идет, минуя студнеобразование. В процессе сушки формируется покрытие, состоящее из крахмальной матрицы с равномерно распределенными в ней частицами сополимера, находящегося в высокоэластическом состоянии и снимающего усадочные напряжения, предотвращая тем самым появление микротрещин;
показано влияние морфологической структуры минеральных пигментов – природного карбоната кальция и каолина на формирование структуры меловального покрытия;
для обеспечения заданной капиллярно-пористой структуры основы предложен научно-обоснованный подход составления композиции бумажной массы, который базируется на обеспечении оптимального соотношения между скоростью обезвоживания, удержанием и качеством просвета бумаги (при контролировании электрокинетических свойств в системе);
определены причины, приводящие к затрудненной проклейке бумаги из сульфитной целлюлозы в слабощелочной среде, которые связаны с наличием анионных загрязнений, остаточных лигносульфоновых кислот, остаточного лигнина, остаточной кислотности;
выявлено различное влияние анионных загрязнений, остаточных лигносульфоновых кислот, остаточного лигнина, остаточной кислотности на процесс внутримассной проклейки бумаги и картона из сульфитной целлюлозы при использовании в качестве проклеивающих агентов алкенилянтарного ангидрида (АСА) и алкилкетендимера (АКД).
Практическая значимость
Предложен принципиальный подход к созданию модульных типовых технологических линий и организации производства ассортимента конкурентоспособных ЦКМ для высококачественной упаковки, удовлетворяющих требованиям российских и международных стандартов.
Предложены пути повышения эффективности проклейки в массе бумаги и картона из сульфитной целлюлозы при использовании в качестве проклеивающих агентов АСА и АКД.
С участием автора разработаны и подготовлены к изданию два Государственных стандарта Российской Федерации – «Бумага для документов – требования для долговечности», «Бумага и картон – определение щелочного резерва». Показана целесообразность применения принципов оценки долговечности по «щелочному резерву бумаги» для оценки срока хранения и термостойкости ЦКМ для высококачественной упаковки.
Разработан и внедрен технологический регламент «Производства картона для упаковки жидких продуктов».
Разработаны и запатентованы: способ поверхностной обработки бумаги; многослойные материалы на бумажной основе.
Разработан тест и методика для оценки качества струйной печати.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на международных научно-технических конференциях: Wood and pulping Chemistry (Japan, 1999); Papermaking in central and eastern Europe (Poland, 1999); EWLP 2000 (France, 2000); ISWPC (France, 2001); EWLP 2002 (Finland, 2002); Pap-For (СПб. 2002); Проблемы устойчивого развития лесного комплекса северо-запада России (СПб. 2002, 2003); EUCEPA (Portugal, 2003); III CIADICYP (Spain, 2004); PITA Coating conference (Great Britain, 2005); Волокнистые материалы ХХI века (СПб. 2005); IPPTF (СПб. 2006). На семинарах: фирмы «OMYA» 2003, 2004, 2005; «Бумага и печать» (Москва, 2007); «Школа бумаги» (Кондопога, 2008).
Промышленные выработки.
По результатам теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы проведены опытно-промышленные выработки на ОАО «Светогорск», на ОАО «ЦНИИБ». Результаты исследований и опытно-промышленных выработок рекомендованы и используются на ОАО «Светогорск», СПб Бумажная фабрика «Гознак», ОАО «СПбКПК», ОАО «Сясьский ЦБК». Получены акты об использовании результатов.
Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 43 научных работах, включая главы в монографии, 1 учебное пособие с грифом УМО, 2 авторских свидетельства и 2 патента Российской Федерации. В журналах, рекомендуемых ВАК, опубликовано 10 научных трудов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 283 страницах основного машинописного текста, содержит 42 таблицы, 119 рисунков. Список цитируемой литературы включает 224 наименования. В 12 приложениях представлены акты проведения опытно-промышленных выработок, акты сертификационных испытаний полученного материала, акты об использовании результатов работы на ведущих предприятиях ЦБП.
