Функциональные свойства бумаги и картона

Чтобы бумага или картон удовлетворяли требованиям производства и применения упаковки, необходимо обеспечить определенные функциональные свойства этих материалов, которые независимо от того, что именно представляет собой упаковка, — пакетик для чая, картонную коробку или транспортную тару — должны обеспечивать прочность, необходимую для сохранения формы упаковки. Прочность материала необходима для нанесения печати и изготовления упаковки — как в процессе сборки, так и при фасовании (ручном или автоматизированном), а также для физической защиты изделий при сбыте, хранении, реализации и при использовании упаковки потребителем.

При разработке технологии материала разрабатываются конкретные требования к прочности и другим функциональным свойствам упаковочных бумаги и картона, а также методы испытаний, моделирующие соответствующие условия и позволяющие разработать технологические параметры.

ТУ и ТР выполняют две важные функции. Во-первых, они определяют основные производственные параметры, на основе которых определяется вид изделия из бумаги и картона. Во-вторых, путем регулярных проверок соблюдения технических условий в ходе производства изготовитель получает точное представление о степени однородности изделий в рамках одной партии и в разных партиях. Многие испытания в настоящее время проводятся с помощью компьютеров в диалоговом режиме, что позволяет проводить испытания чаще. В системе можно обеспечить и обратную связь, автоматически поддерживая необходимые параметры (например, влажность, толщину и массу изделия на единицу площади) в рамках заданного диапазона. То же относится и к другим параметрам, например, цвету, глянцу и жесткости.

При испытании на прочность и иные связанные с ней функциональные свойства учитывают гигроскопичность волокон целлюлозы. При высокой влажности волокна поглощают влагу, а при низкой — теряют, так что влажность бумаги и картона в зависимости от относительной влажности (ОВ) окружающей среды меняется. Влажность бумаги и картона зависит также от того, была ли перед использованием (или испытанием) относительная влажность окружающего воздуха выше или ниже, то есть с какой стороны система пришла в данное состояние (об этом см. ниже).

Поскольку прочностные свойства существенно зависят от влажности, необходимо, чтобы испытания проводились на кондиционированных образцах при заданных ОВ и температуре и, следовательно, находящихся в равновесном состоянии (в лабораторных условиях — это ОВ 50% и температура 23 °С).

Необходимые функциональные свойства бумаги и картона зависят от конкретного вида упаковки. И к тончайшей легкой бумаге, и к самому толстому картону предъявляются конкретные требования, но сами критерии оценки свойств материалов могут быть одними и теми же — прочность на разрыв, разрывная длина, истираемость, сминаемость и складкообразование, прочность во влажном состоянии и т. д. Основные принципы производства и достижения необходимых свойств для каждого вида бумаги и картона имеют много общего. Это обусловлено тем, что бумага и картон — это листовые материалы, сформированные из сети переплетенных целлюлозных фибрилл и волокон. Различия в показателях прочности и других функциональных свойств зависят от количества и вида волокон, степени помола, способа получения целлюлозы, количества слоев, а также от наличия других компонентов, покрытий или ламинирования, обеспечивающих материалу дополнительные свойства.

Различие в свойствах материала в машинном и поперечном направлениях мы уже упоминали — прочность и другие свойства в этих двух направлениях отличаются, как и значения других показателей.

Масса 1 м²

Количество твердых веществ волокна, наполнителя в бумаге и картоне оценивается массой 1 м². В лабораторных условиях этот параметр определяют взвешиванием точно вырезанного куска материала, а результат выражают по-разному, преимущественно в г/м² (или в фунтах на 1000, 2000 или 3000 кв. футов). Для данного вида бумаги или картона большинство прочностных характеристик с увеличением массы единицы площади возрастают.

Масса 1 м² важна и в коммерческом отношении, так как для конкретной бумаги или картона чем больше масса 1 м², тем меньшее количество упаковок можно получить из данной массы упаковочного материала. Чем выше масса единицы площади, тем больше волокна приходится на единицу площади, а большее количество волокна требует удаления большего количества воды и приводит к изменению производительности бумаго- или картоноделательной машины.

Толщина

Толщину листа измеряют в микронах (мкм, 0,001 мм, 1 х 10^-6м) или в пунктах (1 пункт равен 0,001 дюйма). И бумага, и картон характеризуются волокнистой сжимаемой структурой, в связи с чем толщину измеряют толщиномером — микрометром, позволяющим прикладывать к заданной площади фиксированную нагрузку. У определенных типов бумаги и картона с увеличением массы единицы площади толщина возрастает и, следовательно, для данного типа материала с ростом толщины увеличиваются прочностные свойства. Тем не менее, как мы увидим далее при анализе жесткости, толщина может быть важнее массы единицы площади.

Влажность

Содержание влаги в процентах измеряют в образце, предварительно высушенном до постоянной массы. С изменением содержания влаги изменяются многие прочностные свойства материала.

В бумаге и картоне волокна целлюлозы при высокой ОВ расширяются, поглощая влагу, а при низкой ОВ сжимаются, теряя влагу, причем в поперечном направлении размеры волокон при набухании и сжатии меняются больше, чем в продольном. Так как больше волокон ориентируется в направлении движения бумажного полотна через бумагоделательную машину, любое изменение поперечного размера волокон приводит к нарастанию изменений в поперечном направлении. Именно поэтому стабильность размеров в поперечном направлении важнее, чем в продольном (машинном). (Это может быть использовано для определения MD и CD путем увлажнения одной стороны квадратного образца, параллельной кромке листа. Волокна целлюлозы быстро разбухают, и увлажненная сторона расширяется в поперечном направлении, образуя цилиндр, длинная ось которого расположена в продольном направлении).

Содержание влаги в любом изделии из бумаги и картона стремится прийти в равновесие с ОВ окружающей среды. Это свойство называют гигроскопичностью. Можно построить кривые, демонстрирующие изменения влажности при изменении относительной влажности. Равновесная влажность бумаги и картона при увеличении и уменьшении ОВ меняется по-разному, и это явление называют эффектом гистерезиса (рис. 1.23), результаты которого зависят от условий предшествующего хранения материала.

Рис. 1.23. Гистерезис содержания влаги

Следствием этого является то, что достигнутое при производстве бумаги и картона содержание влаги очень важно для поведения материала при печати, сборке упаковки и ее использовании. Поэтому в производстве преследуют две цели относительно содержания влаги. Во-первых, необходимо задать такой диапазон содержания влаги, который соответствовал бы равновесной влажности данного материала в среднем диапазоне значений ОВ, присущих видам использования изделия (рекомендуемая ОВ для печати, сборки упаковки и использования бумаги й картона на фасовочно-упаковочных линиях составляет 45-60%). Во-вторых, в ходе производства следует поддерживать одно и то же содержание влаги в пределах заданного диапазона.

Из гигроскопичности волокон целлюлозы следует, что материал в процессе хранения и сбыта должен быть соответственно защищен. Для достижения оптимальной эффективности при печати, сборке упаковки и ее использовании необходимо соблюдать следующие меры:

• при транспортировке и хранении бумаги и картона их следует упаковывать во влагонепроницаемый материал;

• хранить бумагу и картон согласно рекомендациям их производителя;

• перед снятием влагонепроницаемой упаковки необходимо добиться температурного равновесия в материале;

• после каждой стадии технологического процесса обеспечить защиту материала.

При перемещении бумаги или картона с холода в теплую среду могут возникнуть критические ситуации. Не следует снимать влагонепроницаемую упаковку с бумаги и картона до тех пор, пока материал не достигнет температуры, равновесной с температурой помещения, где он будет использоваться (например, на печатной или фасовочно-упаковочной машине). Картон с холодной поверхностью после разгрузки грузовика зимой может снизить температуру краски, повысив ее вязкость до такой степени, что в ходе печати будет происходить сильное пузырение.

Кроме того, при перемещении из холодного склада в теплую производственную зону холодные кромки стопы охлаждают окружающий воздух, что может привести к конденсации влаги на кромках. Эта влага может быть не заметна, но при ее поглощении происходит коробление, что затрудняет подачу материала в печатную или фасовочно-упаковочную машину (рис. 1.24). Если же действию высокой температуры или низкой влажности подвергается не обернутый защитной упаковкой материал, он может высохнуть и деформироваться.

Рис. 1.24. Влияние изменений в содержании влаги на плоскостность бумаги и картона

На практике при изготовлении бумаги и картона используют методы, направленные на минимизацию таких изменений размеров вследствие гигроскопичности. Ниже мы рассмотрим некоторые меры, рекомендуемые изготовителями бумаги и картона и важные для максимальной эффективности печати, изготовления упаковки и ее использования. Эти меры касаются упаковывания, хранения и использовании бумаги и картона печатниками, изготовителями и пользователями упаковки