Бумажные материалы
Бумага и картон являются самыми распространенными материалами в упаковочной отрасли. Химической основой бумажных материалов является целлюлоза с различными добавками.
Первый этап получения бумаги – переработка так называемой пульпы и получение целлюлозы. Целлюлозу производят из древесины различных пород путем механической и химической обработки. При механическом воздействии получают короткие волокна низкого качества.
Химическое воздействие позволяет получать высококачественную длинноволокнистую целлюлозу — бумажную массу, из которой после сушки вырабатывают различные типы бумаги.
Чисто механический процесс дает древесную пульпу путем сдавливания бревен между жерновами и поливания поверхности водой для удаления древесной массы.
Такой метод используется преимущественно для переработки мягких северных пород деревьев. При этом используются все компоненты древесины, т.е. лигнин и углеводы, составляющие до половины ее массы, не удаляются. В настоящее время данный способ вытеснен термомеханическим, при котором древесина сначала обрабатывается в рафинере, а затем для размягчения нагревается под давлением. Механическим способом получают примерно 10% пульпы, используемой для производства бумаги и картона.
Такая пульпа наиболее дешевая, но из-за небольшой прочности ее нельзя использовать отдельно. Для производства упаковочной бумаги ее смешивают с пульпой, полученной химическим способом.
При химическом процессе приготовления пульпы для обработки древесины используют химические вещества, при этом удаляются лигнин и углеводы, что позволяет получить более качественную и более дорогую пульпу.
Существуют три вида химических технологий.
- Натриевая («содовая») технология применяется в основном для переработки твердой древесины. Для растворения нежелательных компонентов в данном случае применяется каустическая (гидроксид натрия) и кальцинированная сода (карбонат натрия). Пульпа имеет светлый цвет и невысокую прочность.
- Сульфатная технология (крафт-технология) применяется для переработки как твердой, так и мягкой древесины. Карбонат натрия заменяют сульфидом натрия, а в остальном эти технологии аналогичны. С помощью подобного метода получают наиболее прочные типы бумаги. Сульфатная пульпа имеет коричневый цвет и для производства белой бумаги и картона требует отбеливания. Таким способом производят наибольшее количество пульпы.
- Сульфитная технология основана на кислотной реакции (предыдущие способы – чисто щелочные). Рабочая смесь представляет собой раствор бисульфит кальция или магния и серной кислоты. Применяется для разных сортов древесины. Позволяет получить светлоокрашенную пульпу, более прочную, чем при натриевой технологии, но менее прочную, чем крафт. Общий объем производства такой пульпы не более 1% от общего количества. Используется для изготовления тонкой бумаги. Остаточное количество кислоты в такой бумаге вызывает ее разложение с течением времени.
Полухимическим способом пульпу изготовляют путем применения как химических, так и механических средств. Сначала добавляют каустическую соду и сульфит натрия для размягчения. Затем древесину измельчают на дисковом измельчителе, получая дешевую пульпу с повышенным содержанием лигнина.
Такой способ применяют в основном для твердой древесины.
Такая пульпа трудно отбеливается и желтеет под действием солнечного света. Применяется, когда не требуется высокая прочность и цвет не имеет значения (например, для оберточной бумаги). Около 6% всей производимой бумаги изготавливается таким способом.
Следующий этап – изготовление бумажной массы и бумаги. Полученная пульпа состоит из 97% воды и 3% твердых веществ. Она поступает в измельчитель, где разрубаются волокна и начинается процесс их гидратации. При этом важно сохранить длинные волокна.
В измельчитель добавляют адгезивы и вещества для увеличения водоотталкивающей способности, способности удерживать краску, обеспечивающие цвет, жесткость и т.п. После этого смесь пульпы и различных добавок направляют в бумагоделательную машину.
Бумагоделательный процесс осуществляется в несколько основных этапов. Обработанные древесные волокна погружают в большое количество воды (99,5% воды и 0,5% целлюлозы) и подаются из головного резервуара на передвижной экран или сетку.
По мере того как вода удаляется под действием силы тяжести или всасывания, волокна остаются на передвижном экране. Поскольку участки с волокнами имеют большую скорость потока, другие волокна перемещаются в их направлении, формируя таким образом более однородный пласт (лист). Так как более грубые волокна из-за своей большей массы оседают быстрее, чем более тонкие, та сторона пласта или листа, которая обращена к сетке, всегда получается более грубой, чем верхняя, гладкая.
Подобное строение волокон способствует образованию слоистой структуры, в которой большинство волокон стремится расположиться параллельно, перемещаясь по сетке под влиянием высокоскоростного дренажа воды при движении конвейера через валики.
Такая ориентация волокон в одном направлении позволяет получать бумагу или картон, называемые «зернистыми», текстурированными. Сделанная таким образом бумага состоит из слоев, способных расслаиваться или рваться в направлении движения.
Идеальную структуру дает такой материал, в котором волокна переплетаются между собой на разных уровнях как параллельно, так и перпендикулярно. Последние модификации в конструкции бумагоделательных машин предусматривают наличие нескольких головных резервуаров, из которых подается пульпа разного типа. Взаимное переплетение волокон также существенно облегчается путем применения встроенных датчиков и компьютерного управления подающими резервуарами.
Когда орошение прекращается, начинается сушка, которая ведется в отдельном блоке бумагоделательной машины. По мере сушки волокна сжимаются, и если лист очень плотный, это «сморщивание» может оказаться значительным. С другой стороны, открытый, плохо «связанный» лист бумаги позволяет волокнам скользить при взаимном переплетении, что уменьшает «морщинистость» готового листа. И в том, и в другом случае внутри волокон — в тех местах, где они пересекают друг друга — происходит деформация; все, что может повлиять на степень этой остаточной деформации, например, содержание влаги, может заставить лист бумаги растянуться, сжаться, изогнуться и т. п.
На бумагоделательных машинах или позже, вне технологической линии, можно применять разнообразные отделочные материалы и покрытия. Обычно используют различные пигменты (каолиновую глину, двуокись титана и карбонат кальция), адгезивные материалы типа белков, крахмала и добавки (например, не пропускающие воду вещества, репелленты, вещества, препятствующие возгоранию, консерванты и пр.).
Для улучшения полиграфических качеств бумаги и увеличения жесткости листа в машине используется обычно одна поверхностная отделка — бумага погружается в глинисто-крахмалистый раствор и затем пропускается через валки.
Перед выходом бумаги из машины ее можно каландровать с помощью прокатки через серию мощных прижимных валков. Каландрование придает поверхности глянец с помощью проглаживания и полировки покрытия. Когда необходимы большая прочность и жесткость, следует избегать избыточного каландрования.
Матовость бумаге придается путем легкого каландрования или вообще без него.
Разные технологии наряду с разнообразием исходного материала обеспечивают возможность получения огромного числа видов бумаги. Один и тот же тип бумаги, произведенный на разных комбинатах, отличается по своим свойствам, и даже машины одного и того же предприятия зачастую не могут обеспечить одинакового качества продукции. Следовательно, чтобы обеспечить одинаковое качество упаковки, необходимо знать поставщиков используемых видов бумаги или картона и опираться именно на них. Это удобнее, чем зависеть от технических параметров, основанных лишь на результатах физических тестов.
Качество бумажных материалов характеризуется физическими, химическими и механическими показателями.
К физическим свойствам относятся:
К химическим:
К механическим:
По массе 1 м2 различают:
- бумагу (5-150 г/м2)
- тонкий картон (151-400 г/м2)
- прочный картон (401-1200 г/м2)
По содержанию волокнистой смеси бумагу подразделяют на следующие виды:
К бумажным материалам, предназначенным для изготовления потребительской тары, предъявляется ряд требований.
- Бумага и картон для изготовления тары на ротационных машинах должны иметь равномерную толщину по всей ширине, чтобы полотно перемещалось на машине без перекосов и образования морщин.
- Листовая бумага (картон) должна иметь строго прямоугольную форму; отклонение допустимо в пределах до 0,2 %. Это обеспечит нормальную работу машин по заготовке закроя и хорошее качество изделий.
- Влажность бумаги должна быть в пределах 6-8%,картона –6-12%.
- Бумага и картон, предназначенные для нанесения печати, должны иметь гладкую поверхность и зольность не менее 8 %. Нормы гладкости и зольности устанавливаются стандартами в зависимости от видов бумаги и способов печати.
- Механическая прочность бумажных материалов должна соответствовать требованиям, предъявляемым к прочности изделий в зависимости от массы и свойств затариваемой в них продукции, способов ее транспортировки и условий хранения.
- Бумажные материалы для завертывания и изготовления тары должны обладать водо-, паро-, аромато-, жиро- и газонепроницаемостью. Эти свойства обеспечивают за счет либо соответствующего размола волокнистых материалов, проклейки и добавки в массу синтетических смол (т. е. в ходе технологического процесса), либо специальной обработки уже готовых бумажных материалов. Во втором случае получаются новые комбинированные материалы.
Типы бумаги
В настоящее время применяются две большие категории бумаги: мелованная и техническая. Почти все виды бумаги, используемые при упаковке, попадают в категорию технической. Мелованная бумага применяется для письма, изготовления ценных бумаг, книгоиздания и т.п.
Картон
Ассортимент картона, применяемый в производстве картонно-бумажной потребительской тары, очень широк. Основными полуфабрикатами для выпуска картона являются сульфатная и сульфитная целлюлоза, древесная масса и макулатура.
Тонкий картон часто применяют как самостоятельно, так и в сочетании с другими материалами. Наиболее распространен тонкий картон в производстве складных коробок. Часто тонкий картон лакируют с внешней стороны.
Упаковочный картон состоит из нескольких слоев: верхнего слоя (верхняя сторона), одного или нескольких внутренних слоев и нижнего слоя (оборотная сторона). Все слои соединяются во влажном состоянии в процессе производства и спрессовываются. Нижний или внутренние слои картона могут быть:
К упаковочному картону предъявляются следующие требования:
Немелованные сорта картона
Для них функциональные упаковочные свойства важнее печатных. Эти сорта пропускают воздух и применяются для скин-упаковки.
Скин-пак – тонкая пленка, нагретая в условиях вакуума, обтягивающее картонную коробку
Мелованные сорта картона
В отличие от немелованных характеризуются лучшим поведением в печати, более интенсивным воспроизведением красок и лучшим глянцем при лакировании.
Картон литого мелования
Это высокоглянцевый картон. Высокий глянец достигается способом литого мелования. Мелованная сторона картона сушится на подогреваемом хромированном цилиндре, имеющем зеркальную гладкость. Зеркальная поверхность цилиндра воспроизводится на поверхности картона.
Гофрированный картон состоит из двух и более слоев, из них, по крайней мере, один сформирован в виде волн (гофра) и приклеен к плоскому листу. Из гофрокартона изготовляют коробки для укладывания различных предметов. Прочный картон предназначен для изготовления ящиков с клеевым креплением боковых стенок или с применением металлических скрепок.
Подпергамент
Токая бумага, изготовленная из целлюлозы жирного помола с ограниченной жиропроницаемостью и высокой механической прочностью. Имеет хорошую жаростойкость. Применяется для продуктов с незначительным содержанием жира и повышенной влажностью. Масса 1 м2 43-50 г.
Пергамент
Бумага, обладающая высокой жиро- и водонепроницаемостью. Настоящая пергаментная бумага обычно производится путем пропускания сетки из высококачественной химической пульпы через ванну с серной кислотой, после чего она тщательно вымачивается и высушивается в обычных бумагоделательных сушилках. Сохраняет первоначальную прочность при увлажнении. Масса 1 м2 60 г. Предназначен для упаковывания жиросодержащих влажных продуктов. Поверхность его не имеет никаких волокон, микроволосков и пыли. Выдерживает температуру до 220 0С, что позволяет использовать его для выпечки кондитерских изделий. Применяется также для обертывания овощей, так как не является достаточной преградой для газов.
Пергамин производится с помощью длительного «битья» в процессе приготовления пульпы. Внешний вид и свойства этой бумаги полностью определяются обработкой пульпы, а не какими-либо добавками.
Пергамин – это в основном жиростойкая бумага, подвергнутая повторному увлажнению и суперкаландрованию при высоком давлении и нагреве, что придает ей стеклоподобную поверхность. Такая бумага может быть обработана и иными методами, которые или меняют, или усиливают ее свойства путем добавления пластификаторов для увеличения мягкости, выделения специальных покрытий для липких продуктов, антиоксидантов для предохранения продуктов от окисления и ингибиторов, замедляющих развитие грибков и плесеней, покрытая воском или лаком бумага обладает прекрасной водостойкостью.
Пергамин применяется для производства пакетов, мешков и упаковочной бумаги, а также для прокладок в картонных коробках и ящиках для пищевых продуктов, табачных изделий, химических веществ и металлических деталей. Ее же используют и при ламинировании, помещая между двумя другими листами бумаги.
Крафт-бумага
Очень прочная бумага из сульфатной массы. Может быть отбеленной, окрашенной или сохранять натуральный цвет. Используется для изготовления гофрированного картона, многослойных грузовых мешков и пакетов для бакалеи.
Влагопрочную бумагу изготовляют путем добавления к бумажной массе полиамидных или полиаминных смол. После термообработки, занимающей всего несколько минут, или при комнатной температуре в течение нескольких недель, бумага при пропитывании ее водой сохранит от 25 до 30% своей прочности на разрыв. Такие виды бумаги зачастую применяются для отделки внешних сторон коробок или многослойных мешков, которые подвергаются воздействию различных атмосферных условий. Чтобы такую бумагу было легче распознать, ее обычно пропечатывают продольными полосками (поперек ее ширины) шириной не менее 3,2 мм и длиной от 5,1 до 25,5 см.
Вощеную бумагу изготовляют из практически любых типов бумаги; все зависит от того, будет ли она применяться для упаковки пищевых продуктов или для других целей. Существует несколько способов вощения бумаги — воск в небольших количествах может добавляться в процессе изготовления бумаги или применяться на заключительных стадиях обработки листов «мокрым» или «сухим» способом. Основным материалом здесь является парафин с точкой плавления между 46 и 74°С, смешанный либо с микрокристаллическим воском (точка плавления от 54 до 88°С), либо с полиэтиленом (точка плавления от 91 до 124°С), либо с вазелином, который плавится между 41 и 52°С.
Когда бумагу покрывают воском и пропускают ее через горячие валки так, чтобы воск расплавлялся и проникал внутрь бумаги – такой способ называют «сухим вощением». Если горячие валки отсутствуют, воск затвердевает на поверхности и образует пленку; такой способ называют «мокрым вощением». Воск может наноситься как на одну, так и на обе поверхности бумаги. Обычно у бумаги сухого вощения влагостойкость меньше, чем у бумаги мокрого вощения. Наименьшее количество воска у бумаги, изготовленной путем добавления воска в бумагоделательную машину, и, следовательно, такая бумага обладает наименьшими водоотталкивающими свойствами.
Вощеная бумага – это один из наиболее дешевых видов бумаг. Она влаго-, жиро- и теплостойкая, что делает ее очень полезной для упаковки пищевых продуктов, мыла, табачных и других изделий, требующих защиты от влаги.
Существуют также типы бумаги с покрытиями, которые должны растворяться в воде.
Водорастворимые покрытия из винилацетатного полиэтилена или поливинилового спирта пригодны для термогерметизации с применением чувствительных к давлению этикеток для возвратной тары и других видов использования с применением водорастворимых адгезивов.