Характеристики жесткости при изгибе и при растяжении компонентов гофрированного картона Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖЕСТКОСТИ ПРИ ИЗГИБЕ И ПРИ РАСТЯЖЕНИИ КОМПОНЕНТОВ ГОФРИРОВАННОГО КАРТОНА

Н.В. СЫСОЕВА, Архангельский государственный технический университет,

A.B. ГУРЬЕВ, Архангельский государственный технический университет,

B.И. КОМАРОВ, Архангельский государственный технический университет

Основной функцией ящиков из гофрокартона является защита их содержимого от повреждений в период времени от упаковки до прибытия содержимого в установленном виде. Потребительские свойства гофрированного картона зависят от вида и свойств исходных компонентов - картона-лайнера и флютинга.

За последние десятилетия требования к качеству компонентов гофрированного картона существенно изменились. В первую очередь это привело к тому, что показатели качества картона для плоских слоев и бумаги для гофрирования, регламентируемые отечественными стандартами, сильно отличаются от характеристик, используемых в ведущих странах-производителях этих материалов [1]. Прежде всего, это касается характеристик жесткости картона и гофрированного картона. Принято выделять жесткость при растяжении и жесткость при изгибе, которые по сути характеризуют деформационные свойства материалов [2].

Жесткость при растяжении (tensile stiffness) - это способность материала противостоять приложенным извне растягивающим статическим нагрузкам, а характеристика определяется по уравнению

S,=E5 = -f, (1)

Ьг

где S, - жесткость при растяжении, Н/м; Е -модуль упругости, Н/м ; 8 - толщина образца, м; Р - сила, Н; Ъ - ширина, м; є - деформация.

Кроме жесткости при растяжении (S,) может быть использована характеристика индекса жесткости при растяжении:

£,■= — = —, (2)

' W Wbe

2

где IV- масса 1 м бумаги или картона.

Таким образом, при стабильной толщине материала и массе 1 м2 вполне достаточно определить модуль упругости бумаги или картона, который и является подлинной мерой жесткости при растяжении.

Характерный вид кривых зависимости «напряжение-деформация» у бумаги при растяжении и сжатии обычно соответствуют представленному на рис. 1.

Жесткость при изгибе (ЕГ) изотропного материала определяется произведением модуля упругости материала Е и момента инерции поперечного сечения образца I в случае прямоугольного сечения:

Е1 = Е—, (3)

12

где Е - модуль упругости, Н/м2; Ь - ширина образца, м; § - толщина образца, м.

В настоящее время в России отсутствуют стандартные методы определения жесткости бумаги и картона при растяжении. Исследования показали, что особенно важным является способ определения взаимосвязи между растягивающей силой и деформацией. Область пропорциональности для бумаги определяется не так хорошо, как для многих материалов.

На кафедре технологии целлюлозно-бумажного производства Архангельского государственного технического университета разработаны методики определения вязкоупругих свойств бумаги и картона, которые использованы для разработки программного обеспечения к испытательному комплексу ИП 5158-0,5Б, головной программный образец которого создан на ТОО «ТОЧПРИБОР» (г. Иваново) [3].

Рис. 1. Характер кривых «напряжение-деформация» для бумаги: МОр - машинное направление, растяжение; МОс - машинное направление, сжатие; С£>р - поперечное направление, растяжение; СОс - поперечное направление, сжатие

1600

1400

г 1200

X

m О 1000

Т"

« 800

600

400

200 _

"*-—22$- 1 1 г

15С ) L 1

1

175 ■ 200 225

1 1 1 1

400 800 1200 1600 2000 2400

EI, мНсм2

Рис. 2. Взаимосвязь жесткости при изгибе и жесткости при растяжении (на примере образцов картона -лайнера КЦБК разной массы 1 м2): 1 - машинное направление; 2 - поперечное направление

Ниже приводятся результаты определения и сравнения жесткости при растяжении и жесткости при изгибе (упругих свойств) картона для плоских слоев и бумаги для гофрирования ведущих российских производителей Архангельского и Котласского целлюлозно-бумажных комбинатов. На рис. 2 показана взаимосвязь жесткости при изгибе и жесткости при растяжении картона-лайнера.

Для определения упругих свойств при растяжении были изготовлены образцы флютинга Котласского и Архангельского ЦБК массой 1 м2 112 и 125 г. Образцы испытывали в машинном и поперечном направлениях, при расстоянии между зажимами

100 мм и ширине 15 мм. Испытания проводились на приборе ИП 5158—0,5Б.

Условия испытания, предусмотренные отечественными стандартами, не всегда адекватно моделируют реальные условия эксплуатации, а применяемые показатели недостаточно широко характеризуют потребительские свойства готовой продукции. При увеличении массы 1 м картона и флютинга значения их характеристик изменяются. Удлинение в машинном направлении с ростом массы 1 м2 увеличивается, в поперечном направлении есть отклонения, обусловленные ориентацией волокон и композиционным составом. Следует также отметить, что характеристики деформативности в поперечном направлении более важны для

материала, применяемого при изготовлении по волокну, обладает отличиями по своим

изделий из гофрокартона. деформативным свойствам, что можно объ-

Бумага для гофрирования Архангель- яснить различиями в режиме работы карто-

ского и Котласского комбинатов, имея оди- ноделательных машин.

'у

наковую массу 1 м и близкую композицию

КЦБК АЦБК

с

s

о

30

25

га 20

С

S 15

ь

10

5

0

; 125

11 2

/ 1 1 i i ...

0,0 0,5 1,0

£ Д

1,5

£ ,%

2,0 2,5 3,0

Рис. 3. Влияние массы 1 м на зависимость «напряжение-деформация» для КЦБК и АЦБК: а - машинное направление; б - поперечное направление

Так, например, значения разрушающего напряжения флютинга Архангельского комбината больше, чем Котласского на 15 % для образцов с массой 112 г/м2 и на 20 % с массой 125 г/м2. Способность к удлинению у бумаги для гофрирования АЦБК приблизительно на 40 % больше для образцов массой 112 г/м2 и на 8 % для образцов массой 125 г/м2.

В результате математической обработки зависимость «Р-Al» представляется в виде кривой « а - £ » (рис. 3), которая является интегральной характеристикой механи-

ческих свойств и оценивает поведение структуры образца. С увеличением массы 1 м2 напряжение уменьшается, что соответствует положениям статистической теории прочности. Согласно этой теории, увеличение объема образца приводит к уменьшению его прочности, т.е. вероятность присутствия в структуре критических повреждений, таких как трещины на поверхности волокон, посторонние включения и другие дефекты, приводящие к уменьшению прочности, больше [5].

КЦБК

£

ш

5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1 500

а.

&

1 70 1 50 1 30 110 90 70 50

70 60 50 40 30 20 1 О

112

1 25

ш , г/ы

а

;

1 1

2

■

2 ■

112 125

ш . г/м2

і 1

2 і 2

■|

1 1 2

1 25

т , г/и '

с

5

*

2

б

В

230 210 1 90 1 70 1 50 130 1 1 О 90 70 50

70

60 50 40 30 20 1 О О

АЦБК

т ,

Ш

I

112 125

т , г/мг

■

№

1 12

125

т, г/и

Рис.

4. Влияние массы 1 м на изменение деформационных характеристик КЦБК и АЦБК: а - модуль упругой зоны деформирования; б- работа разрушения; в - разрушающее напряжение; / - машинное направление; 2 - поперечное направление

Характер кривой на начальном участке указывает на то, что модуль упругости изменяется незначительно. В целом значение модулей упругости упругой зоны с ростом массы 1 м2 имеет тенденцию к снижению (рис. 4, а).

Работа разрушения - это сложная функция нагрузки и удлинения, поэтому характер ее изменения определяется мультипликативным воздействием этих показателей (рис. 4, б).

Разрушающее напряжение (рис. 4, в) в соответствии со статистической теорией прочности при увеличении массы образца

уменьшается не более чем на 10 %. При этом величина разрушающего напряжения для флютинга АЦБК приблизительно на 20 % больше, чем у образцов КЦБК.

Таким образом, бумага для гофрирования АЦБК имеет более высокие показатели деформативности по сравнению с материалом такого же вида КЦБК.

Для испытания жесткости при изгибе были взяты образцы с размерами 25 х 12 мм, массой 125, 140, 150, 175 г/м КЦБК («котлас-лайнер»), а также образцы массой 125, 140, 150, 160 г/м2 АЦБК («картон универсаль-

ный»). Испытания проводились на приборе ЖБИ-1 согласно методике, изложенной в [4].

Результаты испытаний, представленные в табл. 1 и 2, показывают, что жесткость уменьшается при уменьшении массы 1 м2 образца. Это объясняется тем, что жесткость при изгибе представляет собой произведение модуля упругости (Етг) и момента инерции,

который в свою очередь зависит от толщины в третьей степени образца. Если рассматривать образцы с разной массой 1 м2, то при уменьшении массы образца уменьшится и его толщина, следовательно, момент инерции будет меньше, что приведет к снижению жесткости при изгибе.

Деформирование образцов проводилось как на внешнюю (Е1Ш), так и на сеточную (Е1№Т) сторону. В результате испытаний было установлено, что деформация на внешнюю сторону у всех видов образцов больше, чем на сеточную. Известно, что при сжатии вдоль волокон волокнистый материал оказывается менее упругим, чем при растяжении. Под сжимающей нагрузкой одно или несколько волокон теряют устойчивость, образуется складка, а все остальные

волокна должны следовать за ней. Отсюда следует, что возрастание числа волокон, работающих на сжатие, уменьшение пористости (в случае внешней стороны листа) приводят к увеличению устойчивости при сжатии и, как результат, к повышению жесткости при изгибе. Увеличение ориентации волокон в продольном направлении бумаги приводит к значительному возрастанию ее жесткости при изгибе в этом направлении [6].

Полученные результаты позволили прийти к следующим выводам:

1. Величина жесткости при изгибе крафт-лайнера и флютинга при деформировании на внешнюю сторону всегда больше, чем на сеточную.

2. Изменение напряжения в образцах флютинга различной массы 1 м2 хорошо согласуется с положениями статистической теории прочности.

3. Разрушающее- усилие меняется пропорционально массе 1 м2, следовательно, можно проводить сравнение величин разрушающего усилия и работы и вводить коэффициенты пересчета.

Таблица 1

Сравнение жесткости при изгибе в машинном направлении

Материал IV, г/м2 5, мкм Е1.„ £/ср, мНсм2 Еп[, МПа

«Котлас- 125 207 570 600 590 5310

лайнер» 140 243 850 920 890 4920

КЦБК 150 244 970 1010 990 5060

175 250 1400 1310 1360 5400

Картон уни- 125 206 600 570 580 4390

версальный 140 230 660 670 660 4430

АЦБК 150 232 670 680 670 4440

160 260 1080 1100 1090 4950

Таблица 2

Сравнение жесткости при изгибе в поперечном направлении

Материал IV, г/м2 5, мкм Е1„ ЕІ , мНсм2 ср > £юг,МПа

«Котлас- 125 202 150 160 160 1530

лайнер» 140 241 260 320 290 1640

КЦБК 150 240 420 480 450 2420

175 247 470 480 480 2720

Картон уни- 125 204 140 140 140 1340

версальный 140 235 240 270 250 1570

АЦБК 150 234 230 230 230 1600

160 264 380 380 380 1660

4. Масса 1 Ni2 образца в большей степени влияет на характеристики упругой зоны деформирования, чем замедленноупругой и зоны предразрушения.

5. Поскольку модуль упругости уменьшается с увеличением и массы 1 м2 образца, то поэтому сравнение жесткости картона с разной массы 1 м2 следует проводить по индексу жесткости.

Литература

1. Гурьев А.В., Комаров В.И. Методы оценки компо-

нентов гофрированного картона // Целлюлоза, бумага, картон. - 1997.-№ 7,8. - С. 16-18.

2. Markstorm H., The elastic properties of paper. - Test methods and measurement instruments. - Stockgolm: Lorentzen and Wettre, 1993. - 45 p.

3. Казаков Я.В., Комаров В.И. Лабораторный испыта-

тельный комплекс для оценки деформативности и прочности целлюлозно-бумажных материалов. Разработка импортозаменяющих технологий и материалов в химической промышленности. -Минск: 1997 - С.250-253.

4. Комаров В.И. Жесткость при изгибе целлюлозно-бумажных материалов. Анализ методов измерения и влияния технологических факторов // Лесной журнал. - 1994. -№ 3. - С. 112-142.

5. Комаров В.И. Применение статистической теории прочности при испытании целлюлозно-бумажных материалов // Бум. пром-ть. - 1987. - № 3. - С. 13-14.

6. Комаров В.И. Деформативность целлюлозно-бумажных материалов. Диссертация. - СПб.: 1999.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗМОЛА СУЛЬФИТНОЙ БЕЛЕНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПИСЧЕ-ПЕЧАТНЫХ ВИДОВ БУМАГИ

И.Н. КОВЕРНИНСКИЙ, д. т. н„ профессор МГУЛа,

Д.А. ДУЛЬКИН, исполнительный директор ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика»

Традиционно в производстве писчепечатных видов бумаги используется сульфитная беленая целлюлоза. На Полотняно-Заводской бумажной фабрике длительное время применялась целлюлоза предприятия СП «ЦЕПРУСС», отличающаяся колебаниями физико-механических показателей (в частности, белизны и разрывной длины) даже в кипах одной партии. С целью наиболее эффективного использования бумагообразующих свойств упомянутой целлюлозы нами проведены исследования процесса ее размола на дисковой мельнице. Изучалось также изменение белизны целлюлозы в процессе размола.

Размол сульфитной беленой целлюлозы из хвойной древесины проводился при концентрации волокна в массе 20 г/дм3 и удельной нагрузке на кромки ножей дисковой мельницы 800 - 900 Дж/км.

Вначале была выбрана удельная нагрузка на кромки ножей 900 Дж/км в соответствии с рекомендуемыми для данного

полуфабриката значениями 800-1000 Дж/км [11-

Результаты эксперимента представлены в табл. 1 (вариант 1). Как видно из данных таблицы, выбранное значение удельной нагрузки на кромки ножей явно завышено и приводит к резкому снижению средней длины волокна.

Дальнейшие исследования проводили при удельной нагрузке на кромки ножей, равной 800 Дж/км (вариант 2 табл. 1).

На рис. 1 представлена зависимость степени помола массы от удельного расхода энергии на размол. С помощью этой кривой можно определить величину удельного расхода энергии при размоле до заданной степени помола массы при удельной нагрузке на кромки ножей 800 Дж/км.

Для обеспечения необходимых физико-механических показателей бумаги большое значение имеет характер разработки волокон массы при размоле. Косвенно разработка волокна оценивается зависимостью