Представьте, что вы берёте коробку, упаковку или книгу, и они внезапно начинают впитывать воду, хотя были специально обработаны, чтобы этого не происходило. Такое явление — не просто неприятность, а серьёзная проблема, с которой сталкиваются производители бумаги и упаковочных материалов. В основе этой проблемы лежит интересный химический процесс, связанный с веществом, известным как алкенилянтарный ангидрид (АСА).
Чтобы бумага была устойчивой к влаге, её обрабатывают специальными химикатами — проклеивающими агентами. Один из таких агентов — это алкенилянтарный ангидрид (ASA). Он делает бумагу гидрофобной, то есть водоотталкивающей, уменьшая её способность впитывать воду. Проклейка важна, потому что благодаря ей упаковочные материалы не промокают, сохраняют товар внутри сухим и защищённым.
Обычно ASA добавляют в бумажную массу в виде эмульсии (смесь ASA с крахмалом или другими веществами), которая вступает в химическую реакцию с волокнами целлюлозы, образуя прочные связи. Благодаря этому бумага становится водоотталкивающей, а её качество измеряется тестом Кобба — он показывает, сколько граммов воды впитает один квадратный метр бумаги за определённое время. Чем меньше показатель Кобба, тем лучше бумага проклеена.
Однако существует проблема — обратимость проклейки. Бумага, проклеенная с помощью ASA, может со временем снова стать восприимчивой к воде. Это явление называют «обратимостью проклейки». Основная причина такой обратимости — автоокисление, когда молекулы ASA взаимодействуют с кислородом воздуха и изменяют свою структуру, теряя способность отталкивать воду.
Учёные провели серию экспериментов, чтобы понять, почему происходит такое окисление и какие условия на него влияют.
Исследователи протестировали образцы бумаги, хранившиеся в различных условиях: под действием ультрафиолетового (УФ) света, солнечного света, обычного освещения, в полной темноте, а также в условиях с ограниченным доступом кислорода (в пластиковых пакетах с осушителем и фольгой). Вот что удалось выяснить:
- Свет — главный враг: Бумага, подвергавшаяся воздействию УФ-лучей, солнечного или флуоресцентного света, значительно быстрее теряла свои водоотталкивающие свойства (см. рис. 1–3 ). Это связано с тем, что свет ускоряет окисление ASA, разрушая химические связи.
- Температура имеет умеренное влияние: Перепады температур также влияли на ASA, но эффект был намного меньше по сравнению с воздействием света.
- Без кислорода окисление почти не происходит: Образцы, защищённые от кислорода (хранившиеся в герметичных пакетах с осушителем и фольгой), почти не подвергались окислению и сохраняли проклейку дольше.
Таким образом, для обратимости проклейки нужны два основных условия: кислород и свет. Без них ASA практически не окисляется.
|
|
Рисунок 1. Двухминутный тест Кобба, верхний слой, для исходного образца и шести различных кондиционированных образцов (UVL = ультрафиолетовое излучение; SW = солнечное окно; PBDS = пластиковый пакет-осушитель- солнечный свет; NR = обычное помещение; PBAFDS = пластиковый пакет-осушитель из алюминиевой фольги - солнечный свет; DC = темный шкаф).
|
Рисунок 2. Тридцатиминутный тест Кобба, верхний слой, для исходного образца и шести различных кондиционированных образцов.
|
|
Рисунок 3. Двухминутный тест Кобба, базовый слой (с добавлением квасцов и канифоли), для исходного образца и шести различных кондиционированных образцов
|
Молекулы ASA имеют особую структуру с двойными связями, которые очень чувствительны к кислороду. Под действием света и кислорода эти связи разрушаются, образуются новые группы (гидроксильные, карбоксильные и кетонные), которые делают бумагу снова восприимчивой к влаге (см. рис. 4).
|
Рисунок 4. Возможный механизм изменения размера бумаги формата ASA путем автоокисленияα-углеродов двойных связей в алкенильных цепях компонентов формата ASA в бумаге
|
Эксперименты показали, что после 15 дней воздействия света около 60% молекул ASA разрушились, значительно ухудшив защитные свойства бумаги (см. рис. 5 и 6).
|
Рисунок 5. Гистограмма, показывающая относительное сравнение ASA на листах.
|
|
Рисунок 6. Гистограммы, сравнивающие процентное соотношение A и процентное изменение по Коббу (процентное изменение по Коббу, рассчитанное по рис. 1 и 2): ASA по сравнению с изменением по Коббу за 2 минуты (слева) и ASA по сравнению с изменением по Коббу за 30 минут (справа).
|
Изучив механизм обратимости, учёные предложили практическое решение: чтобы сохранить водоотталкивающие свойства бумаги, ASA нужно добавлять не на поверхность бумаги, а в её внутренние слои, защищённые от воздействия света. Это предотвращает проникновение УФ-лучей к химикату, что значительно снижает скорость его окисления.
Эксперименты подтвердили, что, если ASA наносится глубже в структуру бумаги, его деградация существенно замедляется (см. рис. 7–9).
|
Рисунок 7. ASA убывание, а Кобб увеличивается. Пунктирные линии представляют скользящие средние.
|
|
Рисунок 8. Убывание ASA (слева) и увеличение Кобб (справа)
|
|
Рисунок 9. Корреляция между остаточным содержанием ASA и увеличением значения Кобба
|
Для производителей бумаги и упаковочных материалов эти исследования имеют большое значение. Понимание механизмов обратимости проклейки позволяет контролировать условия хранения и способы нанесения проклеивающих агентов, тем самым повышая стабильность и долговечность продукции.
Зная, как свет и кислород влияют на ASA, бумажные фабрики могут адаптировать технологию нанесения химикатов, минимизируя риски потери качества и экономя средства за счёт уменьшения необходимости дополнительных обработок или использования избытка дорогостоящих химикатов.
Таким образом, казалось бы, простая проблема — потеря водоотталкивающих свойств бумаги — на самом деле скрывает интересные и сложные химические процессы, понимание которых помогает делать нашу повседневную жизнь комфортнее и безопаснее.
