AppcubeНаучные основы создания многослойных целлюлозных композиционных материалов для высококачественной упаковки - Appcube

Научные основы создания многослойных целлюлозных композиционных материалов для высококачественной упаковки

Научные основы создания многослойных целлюлозных композиционных материалов для высококачественной упаковки тема диссертации и автореферата по ВАК 05.21.03, доктор технических наук Махотина, Людмила Герцевна

Год:
2009
Автор научной работы:
Махотина, Людмила Герцевна
Ученая cтепень:
доктор технических наук
Место защиты диссертации:
Санкт-Петербург
Код cпециальности ВАК:
05.21.03
Специальность:
Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесин
Количество cтраниц:
279

Оглавление диссертации доктор технических наук Махотина, Людмила Герцевна

Введение.

1. Аналитический обзор.

1.1. Анализ современного состояние рынка упаковки в мире и России.

1.2. Упаковка на основе бумаги и картона.

1.3. Небумажная упаковка.

1.4. Современные тенденции в технологии тароупаковочных видов бумаги и картона.

2. Теоретическое обоснование выбора направления исследования.

3. Системный анализ процесса поверхностной обработки ЦКМ.

3.1. Исследование причин возникновения при поверхностной проклейке усадочных напряжений и разработка путей снижения их величины.

3.1.1. Изучение возможности снижения усадочных напряжений за счет использования высококонцентрированных пропитывающих композиций.

3.1.2. Изучение возможности снижения усадочных напряжений за счет использование смеси высоко- и низкомолекулярного полимеров.

3.1.3. Изучение возможности снижения усадочных напряжений за счет направленного регулирования процесса студнеобразования.

4. Системный анализ процесса мелования ЦКМ.

4.1. Исследование влияния морфологической структуры природного карбоната кальция на формирование структуры меловального покрытия.

4.2. Разработка композиций меловальных суспензий для многослойного мелования.

4.2.1. Грунтовочный слой. Узел нанесения — дозирующий стержень.

4.2.2. Средний слой. Узел нанесения — воздушный нож.

4.2.3. Покровный слой. Узел нанесения — ножевой шабер лезвие.

4.2.4. Опытная выработка мелованного ЦКМ.

4.3 Исследование влияния морфологической структуры каолина на формирование структуры меловального покрытия.

4.4. Исследование влияния связующих на формирование структуры меловального покрытия.

5. Обеспечение длительного срока хранения и термостойкости высококачественных тароупаковочных ЦКМ.

6. Создание заданной капиллярно-пористой структуры основы ЦКМ для высококачественной упаковки.

6.1. Композиционная устойчивость ЦКМ.

6.2. Исследование влияние композиции бумажной массы на формирование капиллярно-пористой структуры основы.i.

6.2.1. Влияние карбоната кальция.

6.2.2. Влияние вида и количества проклеивающих агентов.

6.2.3. Влияния вида и количества агентов удержания/обезвоживания.

6.3. Исследование влияния капиллярно-пористой структуры основы на упруго-релаксационные свойства ЦКМ для высококачественной упаковки.

7. Исследование особенностей проклейки бумаги-основы из сульфитной целлюлозы в слабощелочной среде.

7.1. Исследование возможности повышения эффективности проклейки в слабощелочной среде основы ЦКМ из сульфитной целлюлозы.

8. Разработка научных основ технологии многослойных ЦКМ для высококачественной упаковки.

Читайте также:  Эффективность производства и потребления гофрированного картона и гофротары в условиях Санкт-Петербургского региона

8.1. Разработка номенклатуры показателей качества ЦКМ для высококачественной упаковки.

8.2. Разработка научных основ технологии основы (бумаги или картона) ЦКМ для высококачественной упаковки.

8.2.1. Технологическая схема производства бумаги-основы.

8.3. Поверхностная проклейка.

8.3.1. Опытно-промышленные выработки ЦКМ для офсетной и цифровой печати.

8.4. Нанесение меловального покрытия.

8.4.1.Проведение опытно-промышленной выработки мелованного ЦКМ.

8. 5. Нанесение барьерных покрытий.

Введение диссертации (часть автореферата) На тему «Научные основы создания многослойных целлюлозных композиционных материалов для высококачественной упаковки»

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.

Читайте также:  Традиции и современность в дизайне упаковки :На примере винной упаковки

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 у полимеров при получении целлюлозных композитов.

На защиту выносятся следующие положения:

• научные основы технологии многослойных ЦКМ для высококачественной упаковки;

• закономерности формирования капиллярно-пористой структуры основы (бумаги или картона);

• физико-химические основы внутримассной проклейки бумаги и картона из сульфитной целлюлозы при помощи проклеивающих агентов алке-нилянтарного ангидрида (АСА) и алкилкетендимера (АКД);

• причины возникновения при поверхностной проклейке усадочных напряжений, приводящих к нарушению сплошности покрытия, и разработка путей снижения их величины;

• исследование влияния морфологической структуры пигментов — природного карбоната кальция и каолина на формирование структуры мело-вального покрытия;

• принципы обеспечения длительного срока хранения и термостойкости высококачественных тароупаковочных ЦКМ.

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесин», Махотина, Людмила Герцевна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны научные основы создания многослойных ЦКМ для высококачественной упаковки информационно-художественного назначения, которые базируются на концепции об определяющей роли релаксационного состояния полимеров при получении целлюлозных композитов и позволяют прогнозировать структуру, технологические параметры, показатели качества на всех стадиях производства материала.

2. Показано определяющее влияние процесса студнеобразования на величину усадочных напряжений, возникающих при поверхностной проклейке ЦКМ и обуславливающих сплошность покрытия. Предложено снижать усадочные напряжения путем направленного регулирования студнеобразования за счет изменения капиллярно-пористой структуры основы и использования в композиции для поверхностной проклейки бинарных систем — растворов полимеров с низкой и высокой молекулярной массой или — дисперсии гидрофобных и раствора гидрофильных полимеров.

3. Показано влияние морфологической структуры пигментов — природного карбоната кальция и каолина на формирование структуры меловального покрытия. Использование карбоната кальция, полученного из мрамора, обеспечивает, благодаря его кристаллической структуре, оптимальные свойства меловальной суспензии, стабильность процесса мелования и высокие печатные свойства ЦКМ. Использование карбоната кальция, полученного из мела, не обеспечивает высокие показатели качества вследствие того, что он имеет аморфно-кристаллическую структуру. При использовании каолина определяющим для обеспечения требуемых показателей качества является высокая степень пластинчатости и низкое содержание мелких частиц меньше 0,2 — 0, 5 мкм.

Читайте также:  Оценка технической эффективности полиграфических комплексов для производства упаковки из картона

4. Экспериментально установлена взаимосвязь между химией мокрой части — капиллярно-пористой структурой основы (бумаги или картона) и процессом поверхностной обработки. Для обеспечения заданной капиллярнопористой структуры предложен научно-обоснованный подход составления композиции бумажной массы, который заключается в том, что при выборе волокнистых полуфабрикатов, химикатов необходимо обеспечивать оптимальное соотношение между скоростью обезвоживания, удержанием и качеством просвета за счет использования комплексных систем удержания.

5. Проведен анализ возможных причин затрудненной проклейки бумаги из сульфитной целлюлозы клеем на основе АКД. Исследования электрокинетических и физико-химических свойств сульфитной целлюлозы показали, что наличие анионных загрязнений, остаточных лигносульфонатов затрудняет сорбцию частиц АКД на волокнах, вызывая плохое удержание и неэффективный процесс проклейки. Установлено, что за счет остаточной кислотности волокон рН в зоне реакции АКД с гидроксильными группами целлюлозы становится ниже того диапазона, который необходим для оптимальной работы АКД. Предложены пути повышения эффективности проклейки в нейтральной и щелочной среде бумаги и картона из беленой сульфитной целлюлозы при использовании клея на основе АКД за счет введения высококатионных реагентов, нейтрализующих сульфогруппы.

6. Предложена гипотеза, объясняющая высокую эффективность АСА при проклейке бумаги и картона из сульфитной целлюлозы, каталитическим действием кислых сульфогрупп, присутствующих на поверхности волокон и выполняющих функции «внутреннего катализатора».

7. Для обеспечения длительного срока хранения и термостойкости высококачественных тароупаковочных ЦКМ обосновано использование в качестве наполнителя карбоната кальция, обеспечивающего щелочной резерв основы (бумаги или картона). Присутствующий в основе карбонат кальция (щелочной резерв) нейтрализует и предотвращает накопление кислых продуктов деструкции и предотвращает автокаталитические процессы, которые могут привести к старению ЦКМ.

8. Для оценки потребительских свойств высококачественных тароупако-вочных ЦКМ показана целесообразность использования принципов оценки долговечности в соответствии с Государственными стандартами РФ «Бумага для документов — требования для долговечности» и «Бумага и картон — определение щелочного резерва». Предложено внести изменения к этим стандартам и расширить область их применения, распространяющуюся на ЦКМ для высококачественной упаковки, требующей длительного срока хранения.

9. Разработаны научные основы технологии многослойных ЦКМ для высококачественной упаковки, которые базируются на модульном принципе построения технологии. Предложен принципиальный модульный подход к созданию типовых технологических линий производства ассортимента конкурентоспособных ЦКМ для высококачественной упаковки, удовлетворяющих требованиям российских и международных стандартов.[CSVCS]

Posted on in Ученые записки

Back to Top