Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование динамики проникания паров растворителей через бумагу и картон

Сведения об участнике
ФИО
Данилов Николай Андреевич
Вуз
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Производственные технологии
Тема
Исследование динамики проникания паров растворителей через бумагу и картон
Резюме
Проводились исследования хроматографическим методом сорбционных свойств бумаг и картонов, изучался механизм сорбции паров различных по свойствам летучих веществ.
Было выявлено существенное влияние свойств запечатываемых материалов и растворителей на динамику сорбции.
В результате исследований предложен ряд новых параметров для оценки динамики проникания паров растворителей через бумагу и картон.
Результаты исследований позволяют проводить экспрессную лабораторную оценку барьерных свойств бумаг и картонов по отношению к основным типам растворителей, используемых в полиграфии.
Ключевые слова
Паропроницаемость, сорбция, бумаги, хроматография, пористость, структура, барьерные свойства
Цели и задачи
1. Исследование проницаемости образцов бумаг и картонов парами различных летучих веществ и изучение их сорбционных свойств с использованием хроматографии.
2. Разработка экспериментальных методик для оценки характеристик паропроницаемости и их сравнение с классическими свойствами запечатываемых материалов.
3. Попытка введения принципиально новых параметров, характеризующих взаимодействие запечатываемых материалов с летучими веществами, для их дальнейшего прикладного применения в полиграфической отрасли.
Введение

В зависимости от своего назначения бумага и картон должны обладать определенным набором потребительских и технологических свойств, которые в значительной степени определяются сорбционными свойствами, являющимися определяющими для оценки характеристик газо- и паропроницаемости.

Предполагается, что для запечатываемых материалов динамика проникновения растворителей может оказаться весьма важным фактором при нанесении и закреплении красочного слоя, поскольку возможны нюансы в образовании различных оттенков красок при высыхании, особенно это критично для художественных изданий. Кроме того, несомненно, знание характеристик воздухо- и паропроницаемости должно являться необходимым для выбора материалов в упаковочном производстве.

Методы и материалы

В качестве объектов исследования было выбрано семь разных образцов дизайнерских бумаг фирмы "Дубль-В", один представитель картонов MasterBoard, а также пять разных по свойствам и химической природе растворителей.

Методика основана на определении способности выбранных запечатываемых материалов к адсорбции газообразных органических веществ в динамических условиях. 

Для реализации методики и оценки паропроницаемости используется экспериментальная установка, состоящая из ячейки для исследования (рис. 1), в которую помещается исследуемый образец и емкость с веществом, побудителя расхода и анализатора состава воздушной смеси. Пары вещества испаряются и проходят через образец вместе с воздушным потоком, который инициируется специальным аспиратором. Объемная скорость потока строго фиксируется. 

Содержание вещества в воздушном потоке анализируется с помощью газового хроматографа с пламенно-ионизационным детектором. Пробы воздуха отбираются и передаются в хроматограф и анализируются постоянно по ходу эксперимента. Измерения продолжаются до момента установления равновесной концентрации за ячейкой. Ячейка термостатируется в ходе эксперимента.

По полученным данным для каждого образца строятся так называемые изотермы сорбции (рис.2), отображающие динамику проникания паров веществ через образцы, при этом ось ординат калибруется в единицах измерения концентрации, что позволяет рассчитать задержавшееся равновесное количество вещества в образце в каждый момент времени.

 

Описание и обсуждение результатов

В ходе отработки методики исследований было выявлено существенное влияние свойств запечатываемых материалов и растворителей на динамику сорбции.

На Рис. 3 приведены полученные изотермы сорбции бутилацетата без бумаги и с образцом. Поскольку для последующих расчетов часто бывает необходимо растянуть начальный участок изотермы сорбции (на рисунке выделен отдельно), появляется необходимость проводить опыт с несколькими слоями бумаги, увеличивая таким образом фронтальный путь паровоздушного потока через образец. 

Очевидно, что увеличение слоев бумаги приводит к увеличению сорбции паров на образце, и, соответственно, снижению концентрации вещества в потоке. 

На Рис. 4 показано, что при этом снижение вполне очевидное и происходит без изменения механизма сорбции, и может быть с высокими  статистическими характеристиками описано построенными зависимостями. Аналогичные зависимости были получены также для двух других веществ - этилцелозольва и циклогексана, веществ с различной полярностью

Оказалось, что для каждого из веществ вид зависимостей существенно отличается. Дальнейшее направление работы было сконцентрировано на количественной оценке указанной взаимосвязи. С этой целью был расширен перечень исследуемых бумаг и количество веществ.

На Рис. 5 приведены изотермы, полученные с ксилолом для всех выбранных образцов бумаг. Нетрудно заметить, что для всех образцов наблюдается свой уровень сорбции вещества, причем динамика процесса выглядит зачастую неоднозначно, как, например, в случае бумаги Suede Text.

Видно, что динамика формирования изотермы меняется по мере формирования кривой. Аналогичные опыты были проведены для всех выбранных веществ. Для более полного описания картины нами было предложено рассматривать относительные характеристики изотерм для разных образцов и веществ на двух участках – на начальном и на конечном.

Рассчитанные параметры для всех образцов представлены ниже:

На основании  полученных результатов можно сделать вывод, что все вещества по-разному взаимодействуют с образцами бумаг и картона, при этом некоторые вещества практически не задерживаются в образце, тогда как другие заметно дольше проникают через образцы и остаются в них.

В связи с этим был предложен новый параметр (Рис.6), который показывает, насколько внутренние поверхности бумаги проявляют «сродство» к данному веществу. Чем больше этот коэффициент, тем сложнее молекулам вещества преодолевать образец, тем больше их будет задерживаться в бумаге за счет различных обратимых физико-химических процессов. Можно сказать, что предлагаемый коэффициент количественно характеризует так называемые барьерные свойства бумаги по отношению к конкретному растворителю.

На Рис. 7 представлена сводная таблица предложенных в данной работе параметров, косвенно характеризующих сорбционные и барьерные свойства бумаг и картонов с некоторыми летучими веществами.

Используемые источники
1. Киппхан Г.: Энциклопедия по печатным средствам информации; М.: изд. Springer – МГУП, 2003. – 1280 с.
2. Шахиельдян, Б.Н. Полиграфические материалы: учебник для вузов под ред. Т.Б. Зерчениновой; М.: изд. «Книга», 1988. – 33-63с
3. Лоуренс А. Вилсон: Что полиграфист должен знать о бумаге / под ред. С.И. Стефанова, А.Б. Дубининского, К.В. Усова; [пер. с англ.] Е. Д. Климова – М.: ПРИНТ - МЕДИА центр, 2005. – 153 – 234 с.
4. Физико-химические методы анализа, их классификация и основные приемы: [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://allrefs.net/c26/2zuyt/, свободный
5. Физико-химические методы анализа: [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4765.html, свободный
6. Хроматография: [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/5089.html, свободный
Information about the project
Surname Name
Danilov Nikolai
Project title
Research of the dynamic of solvent vapor permeation through paper and cardboard
Summary of the project
The research of sorption properties of paper and cardboard was conducted by chromotographic method, the sorption mechanism of organic solvent vapors with different properties was studied.
It was revealed a significant influence of the substrates' and solvents' properties on the dynamics of sorption.
In the result of research it was offered a number of new parameters to measure the dynamics of the permeation of the solvent vapor through paper and cardboard.
The results of the research allow to carry out a rapid laboratory assessment of the barrier properties of papers and cardboards in relation to the main types of solvents used in the printing industry.
Keywords
Vapor permeability, sorption, papers, chromatography, porosity, structure, barrier properties