На современных гофроагрегатах для склейки бумажных слоев используется клей на основе крахмала. Анализ литературных источников информационных материалов фирм-производителей, представленных на рынке, обозначил рецептурный характер этих сведений. При этом количество компонентов считают по-разному: в процентах, на 1 м^З или 1 тонну клея, воды или на объем имеющейся мешалки. От этого  разнообразие рецептов увеличилось еще больше. Описание деталей процесса не позволяет понять суть технологических принципов приготовления клея. В статье мы приводим обобщение многочисленных рецептов.

Из чего сделан крахмальный клей?

Обязательными компонентами приготовления крахмального клея для производства гофрокартона являются крахмал, вода, бура и каустическая сода. Кроме них могут использоваться дополнительные компоненты.

Состав 1 тонны клея для производства гофрокартона выглядит так: вода — 767 кг, крахмал — 225 кг, каустическая сода — 5 кг, бура — 3 кг (Диаграмма 1). 

Функцию клейкого вещества выполняет крахмал. Приготовить клей для гофрокартона можно из любого крахмала: кукурузного, картофельного, тапиокового, пшеничного. Поскольку прочность клеевой пленки любого крахмального клея значительно превосходит прочность соединения волокон в бумаге.

Клей готовится 15–27-процентной  концентрации по всему крахмалу, из которого 10–25% составляет крахмал клейстеризованный и, соответственно, 90–75% — крахмальные зерна.

Зерна крахмала являются основным адгезивом, а также выполняют функцию поглотителя воды из раствора. За счет этого на гофропрессе или на сушильном столе в условиях высокой температуры происходит быстрое схватывание клея в месте контакта гофробумаги и плоского картонного слоя.

Вода служит растворителем крахмального клея. Содержание воды в клее составляет от 73 до 85% и вся она, за исключением молекулярносвязанной с крахмалом (примерно 12%),  должна быть удалена на гофроагрегате.

Каустическая сода снижает температуру клейстеризации крахмала,  ускоряет набухание крахмальных зерен.   

Бура способствует образованию поперечных связей в клее, повышая вязкость дисперсии. Бура сообщает клею «короткую» структуру, клей не образует капелек при нанесении его на вершины гофров и не пачкает гофровалы. Бура повышает липкость клея и выполняет роль антисептика.

Добавки

Для придания клеевому шву водостойких свойств, в пропорции от 5% до 15% к содержанию всего крахмала в готовый клей добавляют ацетоно- и мочевино-формальдегидные смолы, латексы бутадиенового, изопренового и бутадиенстирольного каучуков и некоторые другие химикаты. В весенне-летний период для борьбы с микробиологическими организмами в клей целесообразно периодически добавлять биоциды в количестве до 1% от содержания крахмала.

Нативный или модифицированный?

Вид крахмала — нативный или модифицированный — не играет особой роли при изготовлении клея для гофрокартона. Заявления некоторых фирм об особой стабильности клея, приготовленного с использованием холоднорастворимого или окисленного крахмала, являются скорее маркетинговым ходом, чем техническим решением. Модификацию крахмала можно выполнить самостоятельно при обработке его щелочью совместно с интенсивным перемешиванием. Модификации крахмала щелочью достаточно для получения гофрированного картона на любой скорости гофроагрегата.

Однако на производствах, где нет мешалки со скоростью перемешивания более 400 об./мин. (оптимальный вариант — не менее 750 об./мин.) или отсутствует пар, модифицированные крахмалы могут найти свое применение.

Сварить клей? — Проще простого!

Классическим способом получения современного крахмального клея считается метод Штайн-Холла. Для применения этого способа необходимо иметь две мешалки.

В одной — с помощью каустической соды (гидроксида натрия) и острого пара готовится щелочной крахмальный раствор (клейстер). В другой — крахмальная суспензия с добавкой буры (тетрабората натрия десятиводного или пятиводного).

Затем в одной из мешалок приготовленные дисперсии смешиваются. Перемешивающее устройство для получения стабильного клея должно работать со скоростью не менее 400 об./мин.

Также хорошо известен способ приготовления клея в одной мешалке. В мешалку турбинного типа, содержащую крахмальную суспензию с температурой 38–42°С, заливается заданное количество раствора едкого натра, и смесь подвергается интенсивному перемешиванию со скоростью порядка 1500–3000 об./мин.

Происходит процесс физико-химической модификации крахмала, в результате которого часть крахмала клейстеризуется, и дисперсия из-за этого постепенно становится все более вязкой. По достижении заданного уровня вязкости процесс модификации прекращается путем разбавления дисперсии холодной водой или кислым раствором, затем добавляется бура, и дисперсия интенсивно перемешивается до готовности.

Готовность определяется по вязкости клея. Вискозиметр для непрерывного измерения вязкости закреплен на стенке мешалки и измеряет ориентировочный уровень вязкости клея. Окончательное значение вязкости определяется с помощью воронкообразного вискозиметра путем отбора пробы клея из мешалки.

Другие способы получения крахмального клея для производства гофрокартона в одной мешалке, а именно Nо-Саrriеr, Мinocar, Super-Glue и т. д., отличаются лишь некоторыми деталями, но в принципиальном плане идентичны.

Таким образом, главное условие получения клея со стабильной вязкостью — это наличие мешалки с интенсивным перемешиванием. Перемешивание должно заканчиваться, когда после первоначального падения вязкость клея начнет выравниваться, и стабилизируется на заданном уровне, например, 40–50 сек. по ВЗ-4. Такой клей может свободно циркулировать в системе, перекачиваться из емкости в емкость и храниться в течение суток.

Контролируем качество

Контроль качества крахмального клея осуществляется измерением параметров: концентрации, температуры, вязкости и температуры клейстеризации.

Концентрация, при которой клей гарантированно склеивает слои картона, составляет по сухому остатку от 15% до 27%. Нижний предел концентрации ограничивается из-за замедления скорости схватывания и скорости высыхания клея, а также короблением гофрокартонного листа. Верхний предел ограничивается дефицитом воды, необходимой для клейстеризации крахмальных зерен.

Современные быстроходные гофроагрегаты имеют клеенаносные устройства, способные нанести тонкий слой клея на вершины гофров, поэтому можно использовать клей повышенной концентрации. Такой клей содержит минимальное количество воды, что уменьшает затраты на сушку картона, способствует работе гофроагрегата на высоких скоростях и облегчает решение проблемы коробления гофрокартона.

Верхний предел концентрации клея можно повысить путем использования в качестве дисперсной среды клейстера из модифицированного крахмала, например, окисленного. При раздельном приготовлении суспензии и клейстера это может быть выполнено достаточно просто и с небольшими дополнительными затратами. Достаточно заменить на модифицированный крахмал только ту часть ранее применяемого нативного крахмала, которая предназначалась для носителя, т. е. клейстеризовалась. При приготовлении клея в одной мешалке требуется использовать модифицированный крахмал в полном объеме.

Температура клея при нахождении его в любом месте, кроме вершин гофров (в мешалке, расходном баке, трубопроводе, насосе, клеевой ванне и т. д.), должна быть на 10–15 градусов ниже температуры его клейстеризации. Особенно это актуально для клеевой ванны гофропресса. Чтобы предотвратить образование студнеобразных сгустков, которые могут усложнить работу агрегата, ванну охлаждают холодной водой или экранируют от теплового потока.

Вязкость клея определяется на вискозиметрах, работающих по принципу истечения определенного объема жидкости через калиброванные отверстия. Наибольшее распространение в России получил прибор ВЗ-246, где 2,4 и 6 — диаметры сменных отверстий в мм. Наиболее часто употребляется насадка диаметром 4 мм. Вязкость, определяемая с помощью этой насадки, получила название «вязкость по ВЗ-4».

Другие известные вискозиметры, такие как Штайн-Холла, Бауэра, Лори, Форда, кружка ВМС и другие принципиально не отличаются от ВЗ-4, и, несмотря на некоторые конструктивные отличия, дают сопоставимые по величине измерения вязкости. Обычный уровень вязкости клея по ВЗ-4 составляет 40-60 сек. Нижний предел вязкости клея не должен быть ниже 20 сек., верхний — может быть близким к 75-90 сек., т. е. к максимально возможному значению вязкости, определяемому с помощью насадки с диаметром 4 мм. При большей вязкости в конце измерения на воронке ВЗ-4 клей уже не течет, а капает, что нарушает условия точного определения показателя.

Температура клейстеризации клея должна быть как можно ниже, т.к. это имеет большое значение при недостаточном давлении пара, питающего гофроагрегат, а также в случае быстроходных гофроагрегатов. Температура клейстеризации зависит от типа крахмала и количества гидроксида натрия. Например, нативный кукурузный крахмал имеет температуру клейстеризации 72–75°С. Но, благодаря содержанию в клее гидроксида, натрия, температура клейстеризации готового клея из кукурузного крахмала обычно составляет 58–62°С.

Важно при этом следовать следующим простым правилам:

1)  Изменение режима варки должно проводиться небольшими шагами при       внимательном наблюдении за результатами изменений.

2)    Изменение количества компонентов клея нужно проводить при неизменном количестве воды.

3)    При необходимости уменьшить вязкость клея сначала стоит попробовать интенсивное перемешивание, а уже потом разбавление очень небольшими порциями воды.

4)    Увеличивать вязкость клея надежнее всего смешиванием с вновь сваренной партией заведомо более густого клея.

Технологу на заметку

Расход клея и, соответственно, крахмала для склейки 1 м² гофрированного картона зависит, прежде всего, от толщины слоя клея на клеенаносном валу, т. е. на том валу, который контактирует с вершинами гофрированной бумаги. На большинстве современных клеенаносных устройств толщина этого слоя поддерживается на уровне 0,15–0,25 мм и регулируется с помощью шаберного валика. Изменение зазора между валами является основным способом оперативного влияния на расход крахмала при склейке гофрокартона.

Вторым фактором, от которого зависит расход крахмала, выступает концентрация клея по крахмалу. В процессе склейки участвует весь крахмал, который находится между бумажными слоями, но при условии, что он весь клейстеризовался.

Неклейстеризованный крахмал сразу обнаружит себя по расклейке гофрокартона и по белым полоскам на картоне-лайнере от крахмальных зерен. Зерна не способны склеивать бумажные слои, они в месте контакта вершин гофробумаги с плоским слоем мешают образованию клеевого шва из клейстеризованной части крахмала.

Если на гофроагрегате изготовляется пятислойный или семислойный картон, то, естественно, условия для приклеивания внутренних «нижних» слоев на склеивающем станке становятся еще более напряженными, т. к. прогреть клеевой шов до температуры клейстеризации на расстоянии 3–7 мм от сушильных плит — задача не простая. Решить ее обычно удается за счет снижения скорости гофроагрегата.

Упростить решение задачи помогает использование для склейки внутренних слоев специального клея с пониженной температурой клейстеризации до 52 °С за счет введения дополнительного количества гидроокиси натрия при варке клея.

Хранить или не хранить? Вот в чем вопрос…

При использовании крахмального клея неизбежно возникает проблема его временного хранения. Время хранения клея может исчисляться часами при нормальной работе гофроагрегата или сутками при авариях, остановке гофроагрегата по причине выходных или по причине отсутствия заказов.

Практика показывает, что хранение крахмального клея в течение 12 часов существенно не меняет его характеристик. При этом неважно, хранился клей при легком перемешивании или находился в покое. В последнем случае нужно перемешать клей перед подачей в производство.

При хранении клея свыше суток, вязкость может понизиться. Хранение от 2 до 3 суток приводит к существенному снижению вязкости и увеличению температуры клейстеризации клея. Но, как правило, такой клей еще можно использовать.

Если клей хранился более 3 суток, то происходит расслоение дисперсии, значительное понижение вязкости и появление гнилостного запаха. Такой клей можно  небольшими порциями подмешивать к вновь приготовленному. Но лучшим решением будет вылить его в канализацию, т. к. использование такого клея в любом режиме может привести к заражению технологических потоков микроорганизмами, со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Установлено, что при хранении клея открытым в течение 10 суток, вязкость клея  уменьшилась и на 6-й день становилась равной вязкости воды. При этом температура клейстеризации увеличивалась и в конце срока становилась равной температуре клейстеризации исходного крахмала. Уменьшение вязкости объясняется тем, что  клейстеризованный крахмал полностью гидролизовался, и клей стал простой крахмальной суспензией. Вязкость таких систем определяется вязкостью дисперсной среды, т.е. воды. Увеличение температуры клейстеризации происходило, по-видимому, за счет связывания щелочи двуокисью углерода, входящей в состав воздуха. Этот эксперимент хорошо объясняет возможные причины расклейки гофрокартона при работе со старым клеем, а также феномен расклейки по понедельникам.

Из всего вышесказанного следует закономерный вывод: рецептура клея не является догмой. Технолог должен постоянно подстраивать состав клея и технологию его приготовления, учитывая изменения внешних факторов, чтобы параметры готового клея оставались в пределах допусков и обеспечивали получение гофрокартона стабильного качества.