Меню

Материал подготовлен Содиковым Исмоилом, инженером инновационно-технологического центра "Современные технологии переработки биоресурсов Севера".  

Если вы нашли неточности в переводе, свяжитесь, пожалуйста, с Исмоилом. Вы можете написать Исмоилу, какие темы в области ЦБП вам интересны, и мы о них напишем. С Исмоилом можно связаться по телеграмму. 

Если у вас есть интересные материалы и наработки, которыми вы хотели бы поделиться с коллегами, мы с радостью их опубликуем. Также мы ищем редакторов направлений Целлюлоза, Лайнеры, Другие картоны (специальные виды картонов). Если бы вы хотели писать и редактировать статьи на технические темы, свяжитесь с Ириной Летягиной. 

В условиях глобального стремления к экологичности и сокращению пластиковых отходов упаковка из формованного бумажного волокна становится все более востребованной. Такие изделия полностью перерабатываются и разлагаются, представляя собой отличную альтернативу пластику. Однако качество такой упаковки зависит от множества факторов, и один из важнейших — тип используемых древесных волокон.

Для производства бумажной упаковки обычно используют разные виды древесных волокон, полученные различными способами обработки древесины. В исследовании были использованы шесть разных типов волокон:

Крафт-волокна (Kraft) — волокна, полученные при химической обработке древесины, удаляющей большую часть примесей, таких как лигнин и гемицеллюлозу. Бывают отбеленные (BSKP, BHKP) и неотбеленные (USKP).

Беленая химико-термомеханическая целлюлоза (БХТММ) — волокна, полученные при термической и химической обработке, сохраняющие многие природные компоненты древесины.

Переработанные волокна (например, из старых газет и картонных коробок) — волокна, которые уже были использованы и переработаны.

Методы исследования свойств волокон

Исследователи использовали несколько научных методов для изучения различных свойств волокон и конечных изделий из формованной целлюлозы:

Электронная микроскопия (SEM) — позволяет рассмотреть поверхность волокон с высоким увеличением, выявить структуру и наличие дефектов.

Инфракрасная спектроскопия (FTIR) — используется для анализа химического состава волокон и выявления различных функциональных групп и примесей.

Испытания на прочность и эластичность — оценивали способность материала выдерживать нагрузки без разрушения.

Испытания на гигроскопичность — измеряли способность материала поглощать и удерживать влагу.

Механические свойства волокон

Механические свойства формованных изделий существенно зависят от типа волокон. Эти свойства включают прочность на разрыв, гибкость и способность сопротивляться различным видам механических нагрузок.

Крафт-волокна характеризуются гладкой поверхностью и низким содержанием примесей благодаря химической очистке. Однако удаление лигнина и гемицеллюлозы делает эти волокна жестче и менее гибкими, что приводит к их сниженной прочности при испытаниях на разрыв и растяжение. В результате изделия из таких волокон более склонны к образованию трещин и разрывов при механических воздействиях.

Переработанные волокна демонстрируют отличные механические характеристики, что связано с их предварительной обработкой и наличием остатков клеевых и связующих веществ. Эти добавки и процессы переработки увеличивают межволоконные связи, повышая эластичность и прочность конечного продукта. Формованные изделия из переработанных волокон устойчивы к разрывам, имеют более высокие показатели механической прочности, лучше сохраняют форму и целостность при транспортировке и использовании (см. результаты испытаний на рисунке 1).

Беленая химико-термомеханическая целлюлоза также демонстрируют превосходные механические свойства благодаря сохранению природных компонентов древесины, таких как лигнин, пектины и гемицеллюлоза. Эти вещества выступают в роли естественного связующего, увеличивая эластичность и устойчивость материала к различным механическим воздействиям. Волокна БХТММ позволяют формовать изделия сложных форм с высокой устойчивостью к повреждениям, обеспечивая долгий срок службы и высокое качество упаковки.

Важно отметить, что механические свойства также зависят от размера и структуры волокон. Волокна с большей длиной и однородной структурой способствуют образованию прочных межволоконных связей, обеспечивая равномерную нагрузку и предотвращая локальные дефекты. Напротив, неоднородные и короткие волокна могут создавать слабые места и приводить к снижению общей прочности материала.

Гигроскопические свойства волокон

Гигроскопичность — это способность материала впитывать влагу из окружающей среды. Эта характеристика очень важна для упаковки, особенно если речь идет о продуктах, чувствительных к влаге.

Волокна беленой химико-термомеханической целлюлозы демонстрируют самую высокую гигроскопичность среди исследуемых типов волокон. Это связано с большим содержанием природных гидрофильных компонентов, таких как гемицеллюлоза и пектины, которые активно притягивают и удерживают воду. Высокая гигроскопичность этих волокон делает их подходящими для упаковок, где необходимо контролировать влажность внутри изделия, например, при хранении фруктов или овощей, для сохранения их свежести.

Крафт-волокна и переработанные волокна показывают более низкую гигроскопичность. В случае переработанных волокон это объясняется наличием остатков различных добавок, красителей и минеральных веществ, снижающих способность волокна поглощать воду. Это качество очень полезно для упаковок, требующих стабильности формы и минимального изменения размеров при воздействии влаги (см. график поглощения влаги на рисунке 2).

Влияние типа волокон на процесс формования

Процесс формования упаковки существенно зависит от характеристик используемых волокон. Более эластичные и менее жесткие волокна лучше формуются в сложные формы без разрывов и трещин. Переработанные волокна и волокна BCTMP благодаря своей природной гибкости и прочности легче принимают и сохраняют форму изделий даже при сложных геометрических конструкциях.

Переработанные волокна обладают особенностями, которые способствуют созданию прочных и однородных формованных изделий. Это объясняется их предыдущей обработкой и наличием различных добавок, повышающих гибкость и эластичность волокон, а также их равномерным распределением в массе. В результате готовые изделия отличаются высокой стабильностью и однородностью структуры.

Волокна БХТММ, благодаря сохранению лигнина и других природных компонентов, обладают не только гибкостью, но и способностью удерживать форму после формования. Они эффективно заполняют форму и минимизируют риск возникновения дефектов, таких как трещины или разрывы, особенно при изготовлении изделий сложной формы.

Крафт-волокна, хотя и обладают гладкой поверхностью, при формовании показывают большую жесткость и хрупкость. Это может привести к сложностям в формовании изделий сложной формы, увеличивая вероятность образования дефектов. Однако при точной настройке оборудования и правильном выборе параметров процесса возможно получить изделия высокой точности и качества.

Важным фактором, влияющим на формование, является также размер и однородность волокон. Короткие и неоднородные волокна могут вызвать затруднения в процессе формования и привести к снижению прочности конечного изделия. Поэтому выбор типа волокон должен учитывать не только химический состав и свойства, но и размерные характеристики волокон.

Таким образом, правильный выбор типа волокон и внимательное управление процессом формования позволяют создавать изделия из формованной целлюлозы с высокими эксплуатационными характеристиками, соответствующие самым строгим требованиям к качеству и экологичности.