Особенности производства и свойства коробочного картона

А.Н.Никольский, генеральный директор ООО "Австрийская бумага", к.т.н.

Коробочный картон - это не просто толстая бумага, как думают многие. Постараемся дать более точное определение этому материалу, используемому для изготовления одного из наиболее распространенных видов потребительской тары - картонных коробок

Основная область применения коробочного картона - изготовление потребительской упаковки. В отличие от бумаги он должен обладать достаточным уровнем жесткости, чтобы тара сохраняла свою форму при транспортировке продукции от изготовителя до потребителя. Для этого картон должен иметь определенную толщину. Однако изготавливать картон целиком из дорогостоящих целлюлозных волокон экономически невыгодно, поэтому, как правило, коробочный картон имеет многослойную структуру: внутренние слои производят из более дешевых материалов по сравнению с покровным и нижним слоями. При этом снижение массы квадратного метра картона при неизменной толщине делает его производство и переработку экономически более выгодными. Таким образом, на практике целесообразно изготовлять менее плотный картон.

Рассмотрим европейскую классификацию коробочного картона, представленную в таблице.

Европейская классификация коробочного картона

SBS - картон, который чаще всего используется для изготовления парфюмерной и сигаретной упаковки, а также для производства рекламной продукции.

GC, GT - картон для производства кондитерских и фармацевтических упаковок.

GD - картон для потребительской тары массового производства.

GK - картон для производства упаковки и изделий без нанесения печати.

Анализ технологии производства многослойных видов картона показывает, что в настоящее время существуют следующие способы их изготовления:

• раздельное формирование элементарных слоев с последующим их соединением во влажном состоянии;
• предварительное формирование одного из слоев во влажном состоянии с последующим нанесением остальных слоев в виде волокнистой суспензии;
• формирование многослойного полотна путем одновременного обезвоживания потоков волокнистой суспензии каждого слоя;
• комбинация вышеперечисленных способов.

Такое разнообразие технологий производства картона оказывает существенное влияние на формирование его структуры и на его основные физико-механические характеристики. Главную роль в процессе формирования картона играет количество влаги, прошедшее через его структуру при обезвоживании в "мокрой" секции картоноделательной машины (КДМ). Указанные выше способы производства картона приведены в порядке роста количества удаляемой влаги, что способствует увеличению количества межволоконных и межслоевых связей. Поэтому наилучшими с точки зрения получения максимально прочной структуры являются последние два способа.

Структура многослойного коробочного картона:

1 - слой, пропитанный раствором полимера при поверхностной проклейке; 2 - зона контакта слоев, обработанная при межслоевой проклейке; 3 - элементарный слой

Сейчас наметилась тенденция к увеличению использования макулатуры в композиции коробочного картона, что приводит к снижению его основных прочностных характеристик: жесткости при статическом изгибе, прочности при расслаивании и др. Наряду с этим увеличивается плотность материала, однако прочность межволоконных связей падает, поскольку в процессе вторичной переработки уменьшается внешняя и внутренняя поверхность волокна, доступная для воды. Это, в свою очередь, снижает способность волокон к набуханию во время размола и уменьшает количество активных центров, способных к образованию межволоконных связей. Для компенсации снижения качества картона, изготавливаемого из макулатуры, разработаны специальные технологические приемы.

Коробочный картон испытывает в процессе его производства и переработки различного рода нагрузки и деформации, наибольшая концентрация которых приходится на поверхность его покровных слоев. Таким образом, устранение дефектов структуры, то есть уменьшение количества микротрещин и размеров пор, приводит к улучшению его физико-механических свойств. При этом значительно возрастает равномерность эксплуатационных свойств картона по двум направлениям. Это в первую очередь отражается на упруго-релаксационных и деформационных характеристиках, а также на изменении модуля упругости и, следовательно, на структурной жесткости картона.

Пористая структура картона в то же время предполагает наличие в ней воздуха. Поэтому улучшение структуры за счет устранения дефектов в виде полостей и уменьшения показателя светопреломления приводит к изменению оптических характеристик картона. В частности, уменьшается его белизна за счет снижения коэффициента светорассеивания покровного слоя. Следовательно, наряду с повышением структурно-механических свойств необходимо улучшение оптических характеристик макулатурного картона.

Основным свойством картона, определяющим прочность коробки при сжатии, является его жесткость при статическом изгибе. Рассмотрим физическую сущность понятия жесткости многослойного коробочного картона. В отличие от прочности, определяемой силой или напряжением, необходимым для разрушения материала или конструкции, жесткость характеризует устойчивость конструкции к деформации. При изгибе картона его выпуклая сторона оказывается растянутой, а вогнутая - сжатой при ненапряженной нейтральной оси в средних слоях. Жесткость многослойного картона описывается уравнением Luey:

,

где В - постоянная, которая зависит от направления расположения волокон в картоне;

n - число слоев картона;

Ei - модуль упругости i-того слоя;

di - толщина i-того слоя;

xi - расстояние от нейтральной линии картона до оси симметрии i-того слоя.

Анализ формулы показывает, что жесткость картона определяют прежде всего его наружные слои. Поэтому производство картона с высокой жесткостью возможно путем увеличения толщины и изготовления наружных слоев из более прочного волокнистого сырья.

Наиболее простым и экономичным путем в производстве картона является достижение заданной толщины за счет увеличения толщины средних слоев, в композиции которых обычно используются более дешевые виды волокнистых материалов. При неизменной толщине картона можно варьировать прочность внешних слоев, например, путем изменения их композиционного состава.

Одним из важнейших показателей качества многослойных видов картона является величина их межслоевой прочности. При этом в процессе переработки такие материалы не должны расслаиваться при печати, вырубке и склейке. Однако в последнее время дефект такого рода стал одним из самых распространенных, особенно при переработке картона, изготовленного из макулатуры низкой степени очистки и переработки.

Расслаивание может возникать как в процессе изготовления тары, так и под действием эксплуатационных нагрузок. Конструктивные особенности, например отверстия и сопряжения в коробках и пачках, также могут служить источником снижения прочности в результате появления дефектов отслоения и расслаивания.

Расслаивание картона может также происходить вследствие его изгиба вокруг поверхности валиков с небольшим диаметром в процессе проводки полотна через печатную машину. Встречается этот дефект и при намотке картона в рулоны на гильзу малого диаметра - 75 мм. Поэтому, чем толще картон, тем больший диаметр должна иметь гильза для его намотки (150 или 300 мм). Основной причиной расслаивания картона при его изгибе являются возникающие сдвиговые напряжения. Эти напряжения достигают максимального значения, приближаясь к средней линии картона по толщине, и возрастают с уменьшением радиуса изгиба и с увеличением толщины и жесткости.

Другим характерным видом разрушения картона является выщипывание волокон с поверхности покровного слоя в процессе печати, которое часто переходит в расслаивание, то есть в отслаивание этого слоя или его части от остальной массы картона. В данном случае причиной расслаивания картона является не столько его низкая межслоевая прочность, сколько низкая прочность самого слоя, поэтому для устранения такого дефекта в первую очередь необходимо упрочнение покровного слоя.

Межслоевая прочность коробочного картона определяется в основном количеством межволоконных связей между его элементарными слоями. Микроскопические исследования поверхности расслоившегося картона показывают, что количество разорванных волокон в зоне разрушения минимально, а расслоение происходит главным образом по межволоконным связям соединяемых слоев.

Наиболее эффективным и распространенным способом повышения межслоевой прочности наряду с обычными технологическими приемами в настоящее время является использование различных упрочняющих веществ. К ним относятся природные полимеры, синтетические полимеры и их волокна, различные синтетические и минеральные связующие.

Известно несколько способов введения химических вспомогательных веществ с целью повышения сопротивления расслаиванию картона:

• дозировка в композицию слоев перед отливом;
• впрыскивание между элементарными слоями картона перед их соединением;
• поверхностная обработка картона растворами или дисперсиями в процессе производства картона.

Таким образом, современная технология производства картона позволяет регулировать и улучшать два основных свойства картона: жесткость и прочность к расслаиванию, что в конечном счете обеспечивает высокое качество потребительской тары.

«Мир Этикетки» 10'2002