CC BY
94
Химия растительного сырья. 1999. №2. С. 143-148
УДК 676.2.017.27+676.2.07.7
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БУМАГИ
© В.В. Левшина, А.В. Бывшев
Сибирский государственный технологический университет, Красноярск (Россия) E-mail: repyakh@sibstu.kts.ru
Обобщены новые подходы к формированию структурно-механических свойств бумаги, основанные на изучении системы: армирующий компонент-наполнитель. Представлено математическое описание прочности единичного целлюлозного волокна, значение прочности связи волокна в листе и их изменение под воздействием процесса размола. Определена длина волокон, являющихся армирующим компонентом бумажного полотна.
Формирование структурно-механических
свойств бумаги начинается задолго до образования влажного бумажного полотна на сеточной части бумагоделательной машины и его сушки на сушильных цилиндрах. В основе бумажного листа лежит сетчатая структура, состоящая из единичных волокон, соединенных межволоконными связями. Единичное волокно является основным элементом - «атомом» бумаги, имеющим сложную структуру и химический состав.
Известно [1-3], что целлюлозное волокно, можно сравнить с армированным бетоном, в котором фибриллы являются прочными стрежнями, а лигнин - прочный на сжатие наполнитель. Отсюда следует, что прочность волокон определяется структурой и ориентацией фибрилл, а химический состав волокна не оказывает воздействие. Выдвинутая нами гипотеза получила экспериментальное подтверждение в наших исследованиях: прочность волокна может быть описана как функция степени упорядоченности целлюлозы и угла наклона фибрилл в слое 82 [4].
Прочность единичного волокна, прежде всего, формируется за счет морфологических особенностей древесины и претерпевает значительные изменения в процессах делигнификации и отбелки, которые затрагивают особенно молекулярную и надмолекулярную структуру волокна.
Нами установлено, что размол целлюлозы уже на первой стадии разрушает более слабые ранние волокна, упрочняя при этом армирующий компонент бумажного полотна [5]. Прочность единичного волокна не изменяется в процессе размола, пока не появляются дефекты в слое 82,что возникает при достижении степени помола 60-70 °ШР [6]. Это является экспериментальным подтверждением известной трактовки С.Н. Иванова изменения значений разрывной длины в зависимости от степени помола: «Разрывная длина быстро растет в первой стадии размола, достигает максимума при степени помола 60-70 °ШР, а затем начинает снижаться. Точка перегиба достигается тогда, когда дальнейшее развитие сил связи уже не может компенсировать падение прочности за счет снижения средней длины волокна в бумаге и снижения прочности самого волокна, ослабленного размолом, [7, С. 56-57]. Однако следует отметить, что до 60-70 °ШР возрастает прочность армирующих волокон и их вклад в механизм разрыва бумаги, а уже после данной точки в армирующих волокнах появляются дефекты и их прочность снижается. То есть, как показали наши исследования, до 60-70 °ШР разрывная длина увеличивается не только вследствие возрастания числа межво-локонных связей, а и за счет увеличения прочности и числа армирующих волокон.
Межволоконные связи являются важнейшим фактором, формирующим структурно-механические свойства бумаги. Нами установлено, что в бумажном листе из неразмолотых волокон силы связи между ними на 80% обусловлены силами трения и Ван-дер-Ваальса, 20% - водородными; из размолотых - в среднем, 40 и 60% соответственно [8]. Известно, что водородные силы связи возникают при сближении свободных гидроксильных групп, находящихся на поверхности целлюлозы. Как показали наши исследования, прессование влажных отливок бумаги приводит к увеличению ее объемной массы и при этом пропорционально ей увеличивается прочность связи единичного
а)
волокна в листе, вследствие уплотнения структуры листа [9].
Величина водородных сил связи зависит от числа свободных гидроксильных групп, которая увеличивается по мере раскрытия внешней поверхности волокна. Поэтому на прочность связи волокна в листе оказывает влияние величина внешней поверхности целлюлозы. Это видно на примере размола сульфатной и сульфитной целлюлозы в ролле Валлея и дисковой мельнице (рис.
1 -2). В наших исследованиях внешняя поверхность волокна косвенно характеризовалась степенью поврежденности наружных слоев клеточной стенки.
б)
Рис. 1. Зависимость прочности связи единичного волокна в листе от степени помола целлюлозы: а) - сульфатной, б) - сульфитной, 1 - ролл, 2 - дисковая мельница а)
Рис. 2. Влияние степени помола целлюлозы на степень поврежденности наружных слоёв клеточной стенки: а) - сульфатной, б) - сульфитной, 1 - ролл, 2 - дисковая мельница
Для сульфитной и сульфатной целлюлоз значение этого показателя изменяется в зависимости от степени ее помола примерно одинаково и отличается при размоле на различном размалывающем оборудовании: ролле или дисковой мельнице.
Прочность связи волокна в листе определяется отношением силы связи волокна к его боковой поверхности. Боковая поверхность является функцией его диаметра и длины, но так как диаметр намного меньше длины, то им можно пренебречь и говорить о преобладающем воздействии последней. Но в связи с тем, что в процессе размола длина волокон снижается [11], особенно для сульфитной целлюлозы, размолотой в дисковой мельнице, прочность связи волокна в листе может замедлять свой рост при увеличении степени помола целлюлозы (рис. 1 ).
На величину прочности связи волокна в листе оказывает влияние взаимодействие, которое возникает в системе армирующий компонент-наполнитель. Известно, что наполнитель - это короткие волокна с хорошо развитой внешней поверхностью. Нами установлено, что для беленых целлюлоз армирующий компонент, который представлен длинными волокнами, не требует воздействия процесса размола при получении массовых видов бумаг, так как поверхность этих волокон имеет достаточную величину и раскрыта уже под действием варочного и отбельного процессов. При получении бумаги из небеленой целлюлозы, армирующему компоненту необходим размол (до 20 °ШР), с целью дополнительного увеличения внешней поверхности и гибкости волокон, потому что в противном случае физико-механические показатели бумаги будут иметь значение, несоответствующее стандарту. В качестве армирующего компонента предпочтительнее целлюлоза хвойных, состоящая из длинных волокон. Лучшим наполнителем является целлюлоза лиственных пород, но может быть использована и целлюлоза хвойных, подвергнутая размолу с доминирующим рубящим воздействием [10].
Используя разработанную нами модель бумажного листа [11], получены результаты, подтверждающие данные Д. Ван ден Аккера: для не-размолотой целлюлозы в зоне разрыва листа 1/3 волокон разрывается, а для размолотой - 3/4 [12]. Проведенная нами количественная оценка вклада прочности волокон в прочность бумажного листа доказывает важность прочности волокон для физико-механических свойств бумаги. Следовательно, при выборе волокнистого материала для получения бумаги требуемого уровня качества необходимо обращать внимание на величину этого показателя и факторы, его формирующие.
При изучении механизма разрыва бумаги возникает вопрос: если мы считаем, что она является композиционным материалом, то какие волокна считать наполнителем, а какие армирующим компонентом. При апробации модели бумаги мы принимали, что процентное содержание армирующих волокон от общего числа волокон в модели равно процентному содержанию разорванных волокон. Успешная апробация модели может служить подтверждением нашего предположения. Поэтому, опираясь на полученные результаты по изменению длины волокон при размоле целлюлозы, мы решили углубить изучение этого вопроса.
Изменение фракционного состава по длине волокон для сульфитной и сульфатной целлюлоз представлено на рисунке 3, из которого видно возрастание в процессе размола мелкой фракции (волокна, длиной менее 1 мм), и одновременное снижение крупной фракции (свыше 3 мм). Процесс перераспределения волокон по длине с ростом степени помола можно также изучить с помощью гистограмм. На рисунке 5 в качестве примера рассмотрены гистограммы для сульфатной целлюлозы неразмолотой и размолотой до 35 °ШР. Подобный вид гистограмм называется гистограмма, вытянутая вправо. Такую форму, с плавно вытянутым основанием, гистограмма принимает, когда невозможно получить значение ниже определенного [13]. В нашем примере это свя-
зано с тем, что волокна длиной менее 0.2 мм проваливаются через сетку и уходят в подсеточную ванну бумагоделательной машины.
На гистограммах (рис. 4) мы отметили ту часть волокон, которые, согласно нашего предположения, являются армирующими. В результате построения гистограмм для всех исследуемых образцов нами была определена длина армирующих волокон, минимальное значение которой примерно равно средней длине волокон (табл.). Было также установлено, какая фракция по длине волокон будет служить армирующим компонентом. Как видно из таблицы, армирующим компонентом в листе бумаги являются волокна, длина которых, в основном, больше их средней длины. Они представлены в большей мере волокнами крупной и средней фракции, реже (свыше 50 °ШР) - частью мелкой.
Здесь требуют объяснения противоречия, возникающие при сопоставлении выше изложенных положений с расчетами критической длины [11]. Нами было определено, что при растяжении могут разрываться волокна, длина которых больше критической. Ее величина изменяется о 1.3 мм до 0.4 мм для сульфатной целлюлозы и от 0.6 мм до 0.2 мм - для сульфитной и, в основном, значительно
а)
ниже, чем минимальная длина армирующих волокон. Армирующий компонент - это волокна, которые вносят вклад в усилие разрыва бумаги, т. е. вырываются или разрываются. На месте разрыва бумаги видна «бахрома» достаточно длинных волокон и прилипших к ней коротких волокон.
Следовательно, можно предположить, что мелкие волокна (наполнитель), обволакивающие армирующие, вряд ли сами смогут участвовать в разрыве, а вырвутся или разорвутся вместе с длинными волокнами.
Обобщая вышеизложенное, можно утверждать, что в листе бумаги из неразмолотых волокон число армирующих волокон мало (30%). Это длинные волокна, являющиеся крупной и средней фракциями. Наполнитель представлен частью средней и малочисленной мелкой фракцией. Его волокна имеют слабо развитую поверхность и не создают сомкнутую структуру, поэтому снижается вероятность образования большого числа контактов между ним и армирующим компонентом. Бумажный лист из размолотых волокон состоит из более прочных армирующих волокон, так как из его состава под действием размола удалены более слабые ранние волокна.
б)
СіНІВД пении
,0щр
Рис. 3. Изменение фракционного состава по длине волокон в процессе разлома: а) - сульфатной,
б) - сульфитной, 1, 1’ - ролл, 2, 2’ - дисковая мельница; 1, 2 - мелкая фракция; 1’, 2’ - крупная
П £■ П,9 1А 1.9 IX 2,9 ЭЛ ВД 4.4 4.9 01 П.Н -.-1 1.Я }4 ВД ЭЛ (.4 49
Длииа [ипми. ич Дшы! ьэпдаьи. ни
Рис. 4. Гистограмма длин волокон сульфатной целлюлозы: а) неразмолотой, б) размолотой до 35 °ШР
Таблица. Минимальная длина и состав армирующих волокон
Минимальная
Оборудование Степень помола, °ШР Средняя длина, мм длина армирующих волокон Состав армирующих волокон (фракции по длине)
Сульфатная беленая, ХБ-4
- 16 1.63 1.7 крупная, часть средней
25 1.25 1.2 крупная, часть средней
Ролл 35 1.05 1.0 крупная и средняя
50 0.99 1.0 крупная и средняя
60 0.78 0.7 крупная, средняя и часть мелкой
25 1.56 1.3 крупная, часть средней
Дисковая мель- 35 1.49 1.1 крупная, часть средней
ница 50 1.20 1.0 крупная и средняя
60 1.11 0.8 крупная, средняя и часть мелкой
Сульфитная беленая, А-2
- 20 1.29 1.3 крупная, часть средней
30 1.28 1.1 крупная, часть средней
Ролл 50 0.87 0.7 крупная, средняя и часть мелкой
60 0.75 0.6 крупная, средняя и часть мелкой
Дисковая мель- 30 1.19 1.0 крупная и средняя
50 0.68 0.6
крупная, средняя и часть мелкой
ница 60 0.63 0.5
крупная, средняя и часть мелкой
Но длина армирующих волокон уменьшилась вследствие их рубки. Наполнитель представлен хорошо фибриллированными многочисленными короткими волокнами, образующими сомкнутую структуру с армирующими волокнами. Это приводит к увеличению числа волокон, участвующих в процессе разрыва бумаги в качестве арматуры.
Представленные результаты позволяют расширить представления о формировании структурномеханических свойств бумаги в процессе ее производства и могут найти применение при выборе
технологических параметров, оборудования и исходного сырья с целью управления качеством продукции.
Список литературы
1. Фрей-Висслинг А. Общая структура волокна // Основные представления о волокнах, применяемых в бумажном производстве. М., 1962. С. 9-14.
2. Эмертон Х.В. Наружный слой вторичной стенки. Строение // Основные представления о волокнах, при-
меняемых в бумажном производстве. М., 1962. С. 4160.
3. Page D.H., Hosseiny F., Winkler K. Behaviour of single wood fibers under axile tensile strain // Nature. 1971. Vol. 229. №5282. P. 252-253.
4. Левшина В.В. Исследование прочности единичных волокон хвойных целлюлоз с целью снижения энергозатрат на процесс размола: Автореф. дис... канд. техн. наук / Ленингр. технол. ин-т ЦБП. Л., 1986. 16 с.
5. Бывшев А.В., Левшина В.В., Мельничук Н.М., Савицкий Е.Е. Влияние размола на прочность ранних и поздних волокон лиственничной целлюлозы // Лиственница. Проблемы комплексной переработки: Межвуз. сб науч. тр. Красноярск, 1986. С. 113-118.
6. Нехайчук О.Г., Брянцева З.Е., Бобров А.И. Влияние размола на изменение структуры и бумагообразующих свойств волокон из ранней и поздней древесины лиственницы // Субмикроскопическое строение древесины и его роль в процессах делигнификации: Тез. докл. 2-го науч. семинара. Рига, 1983. С. 159-163.
7. Иванов С.Н. К вопросу о прочности бумаги // Бумажная промышленность. 1948. №6. С. 6-13.
8. Бывшев А.В., Левшина В.В., Мельничук Н.М.,
Савицкий Е. Е. О прочности связи единичных волокон в листе бумаги // Субмикроскопическое строение древесины и его роль в процессах делигнификации. Тез. докл. 4-го науч.семинара. Рига, 1 990. С. 93-98.
9. Бывшев А.В., Левшина В.В., Мельничук Н.М., Савицкий Е.Е. Влияние объемной массы на прочность связи единичного волокна // Целлюлоза, бумага, картон. 1992. №3. С. 14-15.
10. Бывшев А.В., Левшина В.В., Мельничук Н.М. Влияние композиционного состава бумаги на когезию ее листа // Целлюлоза, бумага, картон. 1995. №7-8. С. 18-19.
11 . Левшина В. В., Бывшев А.В. Структура и прочность бумажного листа // Химия растительного сырья. 1999. №2. С. 135-141.
12. Van den Akker J.A., Lathrop A.L., Voelker M.H., Dearth L.M. Impotance of fiber strength // Tappi. 1958. Vol. 41. №8. P. 416-425.
1 3. Статистические методы повышения качества. Под ред. Х. Кумэ, перевод Ю.П. Адлера и Л.А. Канаревой // Стандарты и качество. 1993. №1. С. 66-68.
Поступило в редакцию 31.05.1999.
