Влияние влаги на картонные коробки

Когда речь идет о составе гофрокартона, часто говорят о трёх его основных компонентах — бумаге для гофрирования, картоне для плоских слоев и клее. Однако есть еще один постоянный, но невидимый компонент, — влага. Причем содержание ее в гофрокартоне в два-три раза выше, чем содержание клея.

Влага в древесных и целлюлозных материалах
 

Целлюлозные волокна в дре­весине исполняют несколько
.функций. Первая — обеспе­чение определенной прочности и гибкости ствола.
Вторая функция целлюлозной компоненты древесины — транс­портировка воды. Если березовый сок сам по себе вверх не течет, как же осуществляется эта транспорти­ровка?
Высокополимерные и низкополимерные

Рис. 1. Структурнаяформуламолекулыцеллюлозы 42 Гофроинднстрия Янвйрь 2008

целлюлозные молекулы сот­каны из молекул воды и углерода. Они, словно бусы на нитке, имеют высокую стереорегулярную упоря­доченность.
Молекулы воды, сцепленные между собой, выстраиваются возле каждого единичного глюкозидного кольца целлюлозы. Вода, примыка­ющая к поверхности макромолекул целлюлозы, не жидкая в обычном для нас понимании, а представляет собой пленочный кристалл льда.
Одно из свойств такой воды — образовывать рядом с собой нес­колько слоев воды. Чем дальше эти слои находятся от матричной повер­хности макромолекулы целлюлозы, тем меньше в них упорядоченности расположения молекул. В живой древесине макромолекулы целлюло­зы «пропитаны» молекулами"воды.

Это отчетливо видно на ИК-спект-рах целлюлозы, где вода представ­лена не в виде узкого пика, а очень широкой полосой. В коллоидной хи­мии такую воду называют «прочно-связанной». Она не проводит элект­рический ток, не выдавливается при высоком давлении, удаляется из целлюлозы при температуре свыше 100 С0.
Одним из свойств такой упоря­доченной системы (целлюлозные макромолекулы воды) является пе­ремещение без особых энергетичес­ких затрат образованных слоев ме­нее упорядоченной воды в порах макромолекул в сторону менее во-донасыщенных областей структуры (капиллярное поднятие). Вода по тонким капиллярным каналам внут­ри волокон сама движется в сторо­ну, где имеется энергетическая не­достаточность соединений целлюло­зы с водой.
Древесина может содержать до 20-30% такой внутриструктурной воды.
Если срубить дерево и высушить древесину, там со временем происходят биоморфные процессы, кото­рые приводят к снижению сложнос­ти и упорядоченности структуры, образованной живой природой дере­ва.
В процессе сушки древесины ее усадка за счет потери прочносвязанной воды и стягивания пор (ка­пиллярная контрактация) в попе­речном направлении волокон может достигать 12%, и коробление пило­материалов при сушке становится важнейшей проблемой переработчи­ков леса. Отметим, что после про­сушки свежей древесины механизм повторного процесса «увлажнение — сушка» работает по волокнам, которые частично потеряли свою способность к такому «общению» с водой. Таким образом, величина де­формации древесины в процессе повторной сушки будет гораздо ни­же.
Например. После первой стирки хлопчатобумажное полотно дает за­метную усадку, а последующие стирки к этому не приводят.
Целлюлозное волокно — это сильно разрушенная структура ис-
ходных древесных волокон, которая частично сохраняет следы гидро­фильных свойств живого волокна. В процессе производства бумаги при первичном цикле «увлажнение — сушка» на бумагоделательной ма­шине (БДМ) или на картоноделательной машине (КДМ) происходит полимеризация низкомолекулярной составляющей целлюлозных воло­кон — гемицеллюлоз, что приводит к снижению гидрофильных свойств волокна. Как говорят специалисты-бумажники, происходит «орогове­ние» волокна.
Волокна из макулатуры — это уже прошедшие биоморфные про­цессы материалы, которые облада­ют пониженной способностью обра­зовывать упорядоченные ассоциаты с водой, поэтому бумага и картон при сушке деформируются меньше.
Влага в бумаге, картоне, гофрокартоне
Проследим количественное со­держание воды в компонентах гоф­рокартона и ее проявление в про­цессах изготовления и эксплуатации гофроизделий.
Исходные полуфабрикаты
В исходных ролях полуфабрика­тов (бумага, картон) содержание влаги составляет обычно от 5 до 7%. КДМ и БДМ обычно выпуска­ют продукцию с таким коэффициен­том влажности; в противном случае возникают проблемы с сушкой или намоткой продукции в роли. Картон и бумага с влажностью ниже 7% в процессе хранения ролей на складе набирают влагу до уровня равновес­ной влажности (7-8%). Если иметь дело с картоном или бумагой, выра­ботанными из первичных целлюлоз­ных полуфабрикатов, на поверхнос­ти ролей после их поступления на производство обнаруживаются про­дольные складки, которые формиру­ют несколько наружных слоев. Это связано с увеличением линейных размеров бумаги или картона при наборе влажности из воздуха на складе или в цеху. Иногда эти складки вызывают затруднения при заправке машины, поскольку могут образовывать «мертвые складки».
Довольно часто в производство гофрокартона поступают полуфаб­рикаты с повышенной влажностью. Как правило, это макулатурные бу­мага и картон, выработанные на старых КДМ и БДМ, где соблюде­ние технологии не всегда обеспече­но техническим состоянием. В этом случае видимых изменений в ролях при их хранении не происходит, но в процессе изготовления гофрокар­тона возникнут определенные зат­руднения. Например, такие бумага или картон при размотке образуют складки, т.к. легко вытягиваются по местам «слабины».
В любом случае считается целе­сообразным производить кондицио­нирование ролей бумаги и картона в цехе не менее суток.
Содержание влаги в картоне и бумаге должно контролироваться в каждой партии, для того, чтобы, во-первых, произвести правильный учет расходуемого сырья, и, во-вто­рых, принимать необходимые изме­нения в процессе изготовления гоф­рокартона.
Получение гофрокартона
Перед подачей в гофропресс бу­мага проходит стадию подпарки и гофрируется на гофровалах, прог­ретых до 150-180 С°. Если на гоф­рирование поступает бумага, у ко­торой влажность с разных сторон различна, возникают трудности с возникновением мертвых складок при заправке ее в гофромашину.
Роль пропарки бумаги состоит в пластификации ее волокнистой структуры, активизации активных групп волокна, отвечающих за меж­волоконные связи. Пропарка бумаги позволяет проникнуть воде в более тонкую макроструктуру волокон, вследствие чего они пластифициру­ются. Этот процесс напоминает использование парового утюга в быту. Величина набора влажности бумаги при пропарке невелика — 1-2%. Ес­ли поступающая в производство гофробумага имеет влажность выше 10%, роль пропарки незначительна; при гофрировании такая бумага вы­зовет определенные трудности.
В процессе гофрирования в зоне контакта бумаги с прогретыми вала­ми производится ее импульсный прогрев, испарения воды при нор­мальном ходе гофрирования не наб­людается.
В зоне смыкания валов контакт­ное давление очень велико и пласти­фицированные волокна прижимают­ся друг к другу с большим давлени­ем. В зоне контакта волокон между гофровалами плотность бумаги уве­личивается до максимума (1,4 г/м2), практически все активные группы как на поверхности волокон, так и в ее более тонкой структуре через слой прочносвязанной воды входят в контакт друг с другом. После гоф­рирования упругие силы деформа­ции волокнистой структуры частич­но разрушают возникшие связи, но тех, которые сохранились, достаточ­но для того, чтобы удержать образо­вавшийся гофр в исходном состоя­нии до конца процесса получения гофрокартона. В процессе остыва­ния пластичность структуры гофро-бумаги снижается, гофра становится жесткой.
Если процессу гофрирования подвергается бумага с повышенной влажностью, подобного эффекта не будет. Также с меньшей эффектив­ностью вода влияет на процесс гоф­рирования бумаги, выработанной из макулатуры, из-за того, что вторич­ное волокно подвержено «орогове­нию» и не способно взаимодейство­вать с водой на молекулярном уров­не.

Рис.3 Изминение содержания влаги в гофрокартоне в течении суток при различной влажности окружающего воздуха.

 

Это относится и к процессу гоф­рирования при температуре гофровалов ниже 130 С, поскольку про­цесса температурной пластифика­ции волокон не происходит. В этом случае проводят усиленную пропар­ку бумаги.
При высоких температурах гофровалов процесс гофрирования ус­пешно ведут и без пропарки (нап­ример, при получении микрогофро­картона на гофровалах с электри­ческим подогревом). В любом слу­чае надо учитывать, что влага в бу­маге является важным фактором для процесса гофрирования.
Перед подачей картона в зону склейки производят его прогрев на утюгах. Это приводит к испарению из него воды до достижения уровня влажности 2-4%. Такой картон об­ладает «жадной» способностью впи­тывать воду из клеевого шва после процесса склейки. В момент сопри­косновения гофровала с гладким ва­лом происходит сильный прижим гофробумага с клеем к картону.
В зоне контакта остается до­вольно тонкий слой клея, т.к. из­лишнее его количество выдавлива­ется за края гофра. Общий расход клея (а, вместе с ним, и поступа­ющей влаги), необходимый для про­цесса склейки, как правило, гораздо выше, чем это необходимо для са­мой склейки.
Структура картона и бумаги в узкой зоне контакта опять сжимает­ся, после чего частично возвраща­ется в исходное состояние. Здесь вода из тонкой полоски клея диффузно проникает в толщу прогре­тых слоев картона и бумаги, обез­воживая тем самым клеевой шов, что приводит к прочной склейке (это можно сравнить с процессом впитывания воды губкой).
Если в переработку были пуще­ны сырые полуфабрикаты, сразу после снятия с гофромашины мы можем наблюдать процесс расклей­ки двухслойного полотна, т.к. не происходит процесс обезвоживания клея бумагой и картоном.
Если бумага поступила на гоф­ромашину сухой, полученный гофр изначально не обладает пластич­ностью. В этом случае можно наблюдать отслоение гофрослоя от картона. Упругие свойства неплас­тичной сухой гофроволны приводят к ее смещению от клеевого шва, что сразу ведет к расслаиванию пока еще слабо склеенного двухслойного материала.
Как правило, влажность двух-слойки после гофромашины состав­ляет 9-12%. На мосту-накопителе происходит частичное испарение влаги (не более 2%). Друхслойка на конце моста-накопителя становится более жесткой, в основном за счет остывания и потери пластичности.
Перед вторым узлом склейки на утюгах осуществляют предвари­тельную просушку двухслойки и картона лицевого слоя. Из двух­слойки удаляется относительно нем­ного воды (2-3%), в то время как картон, поступающий на склейку третьим слоем, просушивается до влажности 3-4%. Затем, при склеи­вании и сушке трехслойного гофро­картона, опять осуществляется при­ход воды с клеем, миграция воды в слои, частичная просушка. Из гоф-роагрегата гофрокартон выходит с влажностью от 8 до 12%.
В процессе переработки и эксплуатации гофрокартон еще не­однократно изменяет свою влаж­ность, проходя операции хранения на складе, затаривания, хранения продукции, перевозки и т.п.

Рис.4 Зависимость равномерной влажности гофрокартона от относительной влажности окужающего воздуха.

 

Влажность окружающего воздуха и содержание влаги в гофрокартоне

Изделия из гофрокартона широ­ко применяются в промышленности в качестве упаковки для товаров различного назначения. В процессе эксплуатации ящики взаимодейству­ют с влагой окружающего воздуха и влагой самого упаковываемого ма­териала, поэтому влажность гофро­картона у ящиков может быть раз­личной. В свою очередь, это может приводить к снижению его прочно­стных показателей и, как следствие, к порче упакованного в нем груза.
Изменение влажности гофрокартона при различной влажности окружающего воздуха
(в течение суток)
В данной работе произведено наблюдение за ходом набора влаги различных образцов гофрокартона при заданной влажности окружаю­щего воздуха и температуре 20 С°.
Высушенные предварительно до
(абсолютно сухое) состояния об­разцы гофрокартона помещались в эксикатор. Для поддержания задан­ной влажности воздуха, на дне эк­сикатора находилась вода-с добав­лением расчетного количества серной кислоты. Через определенные промежутки времени производилось взвешивание образцов с определе­нием набора влажности. Результаты определения влажности образцов гофрокартонов представлены на рис. 3.
Из приведенных на рисунке кри­вых видно, что наибольшая скорость прироста влажности происходит в течение первых трех часов кондици­онирования и растет до 8%, а затем замедляется. По истечении суток набор влажности составил 10%.
Конечная величина набранной влажности гофрокартона зависит от значения равновесной влажности воздуха. Показано, что скорость прироста влажности гофрокартона напрямую зависит от исходной влажности гофрокартона, влажности окружающей среды, температуры. Хранение изделий из гофрокартона в процессе их эксплуатации проис­ходит при различных условиях, ко­торые условно соответствуют обоз­наченным на рисунке 4 диапазонам влажности окружающего воздуха:
1. Очень сухое, отапливаемое помещение;
2. Сухое теплое помещение;
3. Закрытое помещение;
4. Открытый склад;
5. Открытая площадка, сухая погода;
6. Открытая площадка, сырая погода;
7. Закрытое влажное помеще­ние, туман.
Каждому значению атмосферной влажности соответствует равновес­ная влажность гофрокартона.
Рассмотрим процесс набора вла­ги гофрокартоном при более дли­тельном хранении во влажной ат­мосфере в течение нескольких су­ток (рис. 5).

Рис.5 Изминение влажности гофрокартона при хранении несколько суток.

Здесь отметим две закономер­ности. Первая — если равновесная влажность окружающего воздуха ниже 100%, процесс насыщения гофрокартона влагой заканчивается уже в первые сутки, и прироста влажности при дальнейшем его хра­нении не отмечается. Максимум влаги, которую может набрать гоф­рокартон в этом диапазоне, — 12-14%.
Вторая — при влажности возду­ха 100% в структуре гофрокартона проявляется капиллярная конденса­ция. Это связано с накоплением конденсатной воды в тонких капил­лярах структуры бумаги и картона в отсутствии равновесного процесса испарения. В этом случае набор влаги гофрокартоном продолжается несколько суток, и может составить 20%, причем он становится очень рыхлым, непригодным для перера­ботки и эксплуатации.
Важный вывод. Если в про­цессе эксплуатации изделия из гофрокартона окружающая влаж­ность воздуха пересекает точку конденсации, то гофрокартон рез­ко набирает повышенное количе­ство влаги.
Коэффициент корреляции между теплотой смачивания и скоростью прироста влажности при одних и тех же показателях текущего влагосо-держания образцов составляет 0,85, т.е. имеется тесная взаимосвязь.
Известно, что методом адсорб­ции различными способами было оп­ределено, что развитая поверхность целлюлозного волокна в бумаге сос­тавляет 10-15 м2. Расчетный размер площади адсорбированных молекул оказался на порядок выше. Это го­ворит о том, что при адсорбации молекулы связанной воды распола­гаются не только на открытой по­верхности волокон, но и частично на макромолекулах целлюлозы, непосредственно входящих в структу­ру волокна.
Предположительно, в высушен­ной при 100 С° бумаге содержится еще около 4% прочносвязанной воды. Эта вода не удаляется при данной температуре и находится в виде мономолекулярного слоя вок­руг активных центров макромоле­кулы целлюлозы в целлюлозном материале. Эта вода составляет единое целое с волокном и в усло­виях обычной методики определе­ния влажности не выявляется, (т.е. абсолютно сухое волокно содержит в себе 4% связанной воды). До влажности бумаги (опреде­ляемой при обычной сушке 100 С"), равной 4%, адсорбированная из воздуха вода формирует второй молекулярный слой, третий слой молекул воды формируется до 8%-ной влажности, четвертый — от 8 до 12% влажности и т.д. Энергети­ка этого процесса на начальных этапах формирования вторичных слоев относительно велика, поэто­му скорость набора влажности про­исходит довольно заметно. На сле­дующих стадиях формирования сло­ев молекул воды энергетика смачи­вания волокон заметно снижается, при этом замедляется и набор влагосодержания. При предельных зна­чениях набора влажности происхо­дит равновесный процесс прихода и ухода молекул воды с поверхности волокон и прирост влажности прек­ращается.
Упрощенно графическую модель взаимодействия воды с поверх­ностью волокон гофрокартона мож­но изобразить в следующем виде (рис. 6)

Рис.6 На поверхности целюлозных волокон формируются слои воды , по-разному энергически прочно связанные с ней.

Обладая большой энергетикой связи с молекулами воды, целлю­лозные волокна при малой влажнос­ти бумаги и картона образуют меж­ду собой взаимосвязи через общие для них молекулы связанной воды. Если влажность низкая (<5 %), об­разуются наиболее жесткие связи между волокнами, по мере увеличе­ния влажности до 8% бумага и кар­тон становятся более пластичными, а при влажности бумаги или карто-
на более 14% — волокна разделены между собой пленкой капиллярной воды, энергия межволоконных свя­зей становится малой, прочностные свойства картона и бумаги сущест­венно снижаются.
Важный вывод. Адсорбирован­ная вода в малом количестве явля­ется неотъемлемой частью волок­нистой структуры, придавая ей те технологические свойства, без кото­рых невозможно создание бумаги и картона.
Вода влияет на физико-механи­ческие свойства самого гофрокарто­на на различных этапах его изго­товления и эксплуатации (гофриро­вание бумаги, склейка, сушка, ко­робление, переработка в изделие, механические свойства ящика и т.п.).
 

Влияние влаги в гофрокартоне на его жесткость
 

При содержании воды в гофро­картоне до 5% он становится лом­ким; в диапазоне влажности 5-8% — сохраняя жесткость, становится достаточно пластичным, удобным для переработки. При влажности более 8% — теряет свою жесткость, становится вялым.
Причиной тому является не сни­жение жесткости самого волокна, а наличие в зоне межволоконных свя­зей слоев воды, которые ослабляют эти связи.
Наращивание толщины цепочек молекул между активными группами приводит к увеличению расстояния между ними, и как следствие — к снижению жесткости взаимосвязи, легкости перемещения групп отно­сительно друг друга.
Процесс изгиба волокон и струк­туры из них во многом определяет­ся усилиями сдвига и перемещением отдельных элементов их составляю­щих (макромолекул, микрофибрилл, фибрилл, самих волокон) относи­тельно друг друга. Адсорбирован­ные молекулы воды в структуре ра­ботают как смазка и способствуют снижению напряжения при изгибных деформациях. Увеличение температуры облег­чает подвижность адсорбированной цепочки связанной воды и способ­ствует снижению жесткости волок­нистой структуры.
Общая закономерность снижения показателей жесткости от влажнос­ти для всех видов гофрокартона практически одинакова (рис. 7).

Рис.7 Зависимость жесткости гофрокартона от влажности.

Из приведенной схемы видно, что в диапазоне влажности 5-8% изменения жесткости гофрокартона практически не происходит, затем, по мере увеличения влажности, про­исходит снижение его жесткости в 2,5 раза. Это очень важное свой­ство гофрокартона, которое чаще всего становится проблемой потре­бителя.
Влажность гофрокартона с гофроагрегата составляет от 8 до 12%, после отлежки и переработки его влажность составит 7-9%. В усло­виях хранения в крытом, холодном складе гофрокартон набирает до­полнительную влажность 2-3% и на ощупь определяется как более мяг­кий.
Помимо потери жесткости гоф­рокартона при наборе им излишней влаги увеличивается и его пластич­ность. Т.е. при длительном хране­нии продукции ящики будут быст­рее проседать.
По чувствительности к повы­шенной влажности, в зависимости от вида полуфабрикатов, из которых они изготовлены, гофрокартоны располагаются в следующем поряд­ке:
— сульфатная целлюлоза;
— полуцеллюлоза;
— сульфитная целлюлоза;
— макулатура из сульфатной целлюлозы;
— смешанная макулатура;
— древесная масса.
Гофрокартоны из хорошо прокле­енных полуфабрикатов обладают вы­сокой влагопрочностью. Гофрокарто­ны, изготовленные из непроклеенных полуфабрикатов (в особенности ма­кулатурных) , очень чувствительны к изменениям влажности воздуха. За­частую гофрокартоны изготавлива­ются с использованием одного или нескольких не клееных полуфабрика­тов (чаще всего - бумага для гоф­рирования). Это также должно учи­тываться в случае возникновения проблем с потерей жесткости гофро­картона.
Важный вывод. Следует всегда учитывать влажность среды, где бу­дет эксплуатироваться продукция из гофрокартона.
 

Некоторые практические советы
 

Атмосферные условия, сопро­вождающие путь гофроящиков во время их эксплуатации, непредска­зуемы. Но изготовителю следует придерживаться таких правил:
 

Рис. 8. Портативныйвлагомер, позволяющийопределятьвлажностьатмосферноговоздуха, локальнуювлажностьвоздухавотдельныхместахсклада, влажность гофрокартона
 

1. При приеме заказа изделий из гофрокартона желательно оговари­вать с потребителем условия эксплуатации ящиков и обеспечение запаса их прочности (жесткости) с учетом атмосферных условий.
2. Готовьте ящики должны от­пускаться со склада сухими. В случае сезона повышенной влаж­ности (осень - начало зимы) не­обходимо принимать соответству­ющие меры. Также следует учиты­вать сквозняки, хранение на под­донах и т.п.
3. Если продукция хранится в условиях повышенной влажности (мясная продукция, рыба, дрожжи, мыло, фрукты, овощи) радикаль­ным является изготовление в них вентиляционных отверстий. Жест­кость ящика при этом снижается на 10-15%, но влажность воздуха внутри ящика не будет достигать опасной отметки в 100%.
Обратим внимание изготовителя на типичные случаи, которые иног­да не учитываются потребителем при эксплуатации ящиков.
4. На складе готовой продукции каменные полы весной, как прави­ло, холодные. Открывается дверь и теплый воздух поступает снаружи на склад. Возле пола охлажденный воздух будет иметь повышенную влажность. Ящики с продукцией штабелем в нижних ярусах начина­ют проседать. Однако вину за это возлагают на изготовителя.
В таком случае при анализе спорной ситуации помогает влаго­мер, который позволит на месте оп­ределить истинную причину возни­кающих проблем с хранением про­дукции.
5. Если в ящик загружается кондитерская продукция, которая еще не охладилась до конца (пе­ченье, выпечка и т.п.), после ес­тественного охлаждения влаж­ность воздуха внутри ящика воз­растает, влажность гофрокороба увеличивается, а жесткость уменьшается #

Источник публикации журнал "Гофро индустрия",№1 (22) январь 2008 года