CC BY
31
УДК 676.017
В.И. Комаров, Е.В. Дьякова, М.Н. Дмитриева
Северный (Арктический) федеральный университет
Комаров Валерий Иванович родился в 1946 г., окончил в 1969 г. Ленинградскую лесотехническую академию, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии целлюлозно-бумажного производства Северного (Арктического) федерального университета, заслуженный деятель науки РФ, почетный работник высшего профессионального образования РФ, член международного научного общества EUROMECH. Имеет более 400 печатных работ в области исследования свойств деформативности и прочности целлюлозно-бумажных материалов. Тел.: 8(8182) 21-61-82
Дьякова Елена Валентиновна родилась в 1977 г., окончила в 1999 г. Архангельский государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства Северного (Арктического) федерального университета. Имеет более 40 печатных работ в области исследования свойств полуфабрикатов для производства тарного картона. Тел.: 8(8182) 65-00-92
Дмитриева Марина Николаевна родилась в 1987 г., окончила в 2009 г. Архангельский государственный техниче ский университет, магистрант кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства Северного (Арктиче ского) федерального университета. Область научных интересов - повышение потребительских свойств тароупа ковочных материалов. Тел.: 8(8182) 65-00-92
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЖВОЛОКОННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ВОЛОКОН В СТРУКТУРЕ БУМАГИ
Определены межволоконные силы связи при испытании на сдвиг в плоскости слоев и на отрыв в перпендикулярном плоскости листа направлении для лабораторных образцов целлюлозы высокого выхода.
Ключевые слова: межволоконные силы связи, когезионная способность, адгезионная способность, связующее, степень разработки, критическая длина волокна.
Силы связи между волокнами традиционно считаются наиболее слабым звеном структуры бумаги как капиллярно-пористого и полидисперсного материала [1, 4, 5].
Межволоконные силы связи являются совокупностью водородных связей, сил Ван-дер-Ваальса и сил трения между волокнами. Относительный вклад каждой составляющей в общее связеобразование обусловлен физико-химическими и структурно-морфологическими свойствами волокон, а также степенью их разработки. По данным исследований [4] водородные связи в отливках из хорошо размолотой целлюлозы обеспечивают примерно 75 % прочности от всех связей между волокнами, а у неразмолотых они составляют только 20 %. Остальные 25 и 80 % соответственно приходятся на
долю сил трения между сопряженными поверхностями волокон.
Известна и другая точка зрения. Стречен [6] еще в 1926 г. на основании микроскопических исследований предложил концепцию о преобладающей роли сил трения в общем связеобразо-вании между хорошо фибриллирован-ными волокнами.
В целом механизм связеобразо-вания независимо от физического или физико-химического характера формирования структуры бумаги включает процессы постепенного сближения элементов структуры за счет сил поверхностного натяжения воды, капиллярной контракции, образования межволоконных когезионных взаимодействий. Интенсивность последних зависит от количества потенциальных контактов между отдельными волокнами.
Поэтому с практической точки зрения расчет, а тем более строгое количественное измерение составляющих межволоконных сил связи требуют отдельного изучения и разработки новых высокоточных методов.
В практике научных исследований нашли применение методы определения суммарных сил связи независимо от их природы. Они преимущественно основаны на определении усилия разрыва двухслойных лабораторных образцов бумаги (полуфабриката) методом сдвига в плоскости слоев или методом отрыва в направлении, перпендикулярном плоскости листа (рис. 1).
Целью настоящей работы является исследование механизмов и интенсивности межволоконных взаимодействий в изотропных образцах бумаги в зависимости от структурно-морфологических характеристик волокон.
В качестве объекта исследования использовали сульфатную хвойную целлюлозу высокого выхода (ЦВВ), отличающуюся высоким содержанием всех основных химических компонентов клеточной стенки.
Рис. 1. Принцип измерения межволоконных сил связи при испытании на сдвиг (а) и на отрыв (б)
Для снижения влияния полидисперсности структуры лабораторных образцов на способность к связеобра-зованию исходную целлюлозу предварительно фракционировали по длине волокна с помощью четырехступенчатого классификатора системы Bauer McNett. Лабораторные образцы изготавливали из наибольших по массе фракций волокон ЦВВ - остатков на ситах 16 и 30 меш, которые имеют минимальную степень помола (11,0 и 11,5 °ШР), существенно отличающиеся значения средней длины волокна (3,39 и 2,31 мм) и грубости (148,7 и 77,8 мг). Характеристики исследуемых волокон представлены в табл. 1.
Для регулирования когезионной способности волокон в структуре лабораторных образцов использовали: введение упрочняющей добавки (связующего) Fennobond 4000 компании «Kemira» в количестве от 2,0 до 9,5 кг/т (по товарному продукту); изменение степени разработки волокна при размоле в лабораторном ролле в диапазоне степени помола 11.. .48 °ШР.
Таблица 1
Структурно-морфологические характеристики основных фракций волокон
сульфатной хвойной ЦВВ
Фракция волокон с сетки, меш Средняя длина, мм Средняя ширина, мкм Фактор формы Содержание мелочи, % Грубость, мг
16 3,39 34,7 89,1 3,35 148,7
30 2,31 32,8 90,6 2,46 77,8
Образцы изготовляли двухслойными. Масса 1 м2 каждого слоя составляла 100 г.
В первой серии экспериментов оценивали влияние количества упрочняющей добавки на межволоконые силы связи ^св, измеренные при испытании на сдвиг по методу С.Н. Иванова [2], и на отрыв ^отр.
Кроме того, определяли собственную прочность волокон, о которой можно судить по значению нулевой разрывной длины Ь0. Несмотря на то, что этот показатель является относительным, он вполне пригоден для сравнительной оценки изменения прочности волокон в технологических процессах производства бумаги и картона.
Известно [3, 7], что при разрушении бумажного листа наблюдаются два явления: разрыв единичных волокон и их выдергивание из структуры бумаги вследствие недостаточных межволоконных сил связи. Волокно будет разрываться в том случае, если силы, удерживающие его в структуре бумаги, окажутся больше, чем его собственная прочность. Для оценки данных явлений может быть использована интегральная характеристика фундаментальных свойств технической целлюлозы - «критическая» длина волокна /,
кр-
/
кр
ар (1,54/Р1) арор2
2^в(1,54/р2) 277свр1 ' где - ширина волокна;
Ро :
р1 - разрушающее напряжение
и плотность материала при испытании на растяжение и нулевом расстоянии между зажимами разрывной машины;
^св - адгезионная способность волокна, определяемая по методу С.Н. Иванова;
1,54 - плотность стенки целлюлозного волокна;
р2 - плотность материала при определении межволоконных сил связи.
Указанные характеристики представлены в табл. 2 в абсолютном выражении и для удобства сопоставления проиллюстрированы на рис. 2 в относительных единицах (за исключением Ь0).
Установлено существенное отличие в изменении характеристик ко-гезионной способности волокон в структуре в зависимости от особенностей свойств волокнистых фракций и принципа нагружения образцов при испытаниях - на сдвиг или на отрыв. Когезионная способность по методу С.Н. Иванова при увеличении расхода упрочняющей добавки возрастает в 1,6-2,6 раза, ее значения характеризуются выраженными максимумами в диапазоне расхода реагента от 3,5 до 6,5 кг/т для двух исследованных фракций волокон. Дальнейшее увеличение количества добавки приводит к понижению Fсв на 19...25 %. По-видимому, в результате сушки образцов на поверхности волокна адсорбируется избыточное количество катионного высокомолекулярного полимера, происходит образование прослоек между отдельными участками волокон, что приводит к снижению количества прямых когезионных контактов, которое не компенсируется потенциальным ростом адгезионных связей.
Прочность связей на отрыв для фракции 16 меш имеет практически линейную зависимость от расхода упрочняющей добавки и возрастает на 33 %. Для фракции 30 меш значения Fотр достигают максимума при расходе связующего 3,5.5,0 кг/т, прирост в этом случае составляет около 50 %.
Отметим, что абсолютные значения характеристик когезионной способности при испытаниях на сдвиг и отрыв отличаются на 1-2 порядка.
Таблица 2
Влияние расхода связующего на свойства волокон грубых фракций сульфатной хвойной ЦВВ
Фракция волокон Степень Расход я ± св? я ± отр? ¿0, /кр,
с сетки, меш помола, оШР связующего, кг/т МПа МПа м мм
16 11,0 0 0,480 0,030 13900 3,04
2,0 0,731 0,030 14500 1,70
3,5 1,169 0,036 13750 1,09
5,0 1,219 0,036 13900 0,87
6,5 1,253 0,037 14650 0,94
8,0 0,952 0,039 13950 1,18
9,5 0,944 0,040 13350 1,16
30 11,5 0 0,878 0,026 14500 1,63
2,0 1,168 0,031 14600 1,27
3,5 1,389 0,039 14750 1,11
5,0 1,378 0,037 14850 1,08
6,5 1,180 0,036 14700 1,32
8,0 1,113 0,032 14150 1,23
9,5 1,107 0,031 13700 1,07
Очевидно, что в первом случае суммарная когезионная способность в большей степени обусловлена различными ее составляющими: водородными связями, силами поверхностного трения, электростатическими взаимодействиями. При испытании на отрыв, по-видимому, удается зафиксировать лишь некоторую часть от общего количества межволоконных связей в плоскости соединения слоев, а вклад сил трения практически отсутствует.
Характер изменения критической длины волокна при увеличении добавки связующего и соответствующего поведения межволоконных сил
отличается для исследованных фракций ЦВВ. Критическая длина волокон менее грубой и короткой фракции (30 меш) прямолинейно снижается на 0,50 мм в исследованном диапазоне изменения количества связующего. Для образцов, изготовленных из фракции более грубых и длинных волокон (16 меш) критическая длина достигает минимального значения уже при расходе связующего 3,5 кг/т, а затем остается практически неизменной. При этом максимальное снижение /кр составило более 2,00 мм.
Таким образом, применительно к более грубым, длинным и менее разработанным волокнам использование
Рис. 2. Зависимость фундаментальных характеристик волокон сульфатной хвойной ЦВВ фракций 16 (а) и 30 меш (б) от расхода упрочняющей добавки: 1 - 2 - ^отр; 3 - /кр
Таблица 3
Фракционный состав волокон сульфатной хвойной ЦВВ
Фракция
Доля волокон в классах по длине, мм
волокон с сетки, меш 0,20... 0,50 0,50... 0,75 0,75... 1,00 1,00... 1,25 1,25... 1,50 1,50... 1,75 1,75... 2,00 2,00... 2,25 2,25... 2,50 2,50... 2,75 2,75... 3,00 3,00... 3,50 3,50... 4,00 4,00... 5,00 5,00... 7,50
16 30 0,002 0,006 0,002 0,007 0,002 0,012 0,003 0,030 0,006 0,098 0,011 0,149 0,016 0,114 0,028 0,115 0,074 0,156 0,114 0,116 0,098 0,060 0,273 0,085 0,215 0,034 0,144 0,015 0,013 0,002
упрочняющей добавки и, как следствие, повышение межволоконных сил связей, дает больший эффект с точки зрения их закрепления и предотвращения выдергивания волокон из структуры бумаги на линии разрыва.
Другими словами, с учетом интегрального характера /кр при разрыве образцов, изготовленных из фракции ЦВВ 16 меш без использования связующего, практически все волокна длиной менее 3,04 мм должны выдергиваться из структуры бумаги на линии разрушения. Добавка связующего в количестве 5,0.6,5 кг/т приводит к принципиальному изменению механизма разрушения образцов. Преимущественно выдергиваться из структуры должны волокна длиной менее 0,90 мм,
содержание которых во фракции составляет около 0,8 %. Следует особо подчеркнуть, что при этом собственная прочность волокон Ь0 остается на одном уровне.
Подобное изменение механизма разрушения структуры проявляется и для образцов, изготовленных из фракции ЦВВ 30 меш. Однако в силу того, что волокна имеют меньшую среднюю длину, ширину и грубость, их когези-онная способность изначально выше. Поэтому при разрушении образцов должен быть характерен разрыв единичных волокон с длиной более 1,63 мм. Содержание таких волокон по результатам измерений составляет около 70 % (табл. 3).
Таблица 4
Влияние степени помола на структурно-морфологические характеристики волокон
сульфатной хвойной ЦВВ
Степень помола, °ШР Средняя длина, мм Средняя ширина, мкм Фактор формы Содержание мелочи, % Грубость, мг
11 3,39 34,7 89,1 0,33 148,7
18 2,84 37,5 88,0 1,33 84,8
28 2,63 37,3 87,2 2,37 80,8
38 2,54 36,9 87,8 2,75 88,5
48 2,45 36,9 87,2 3,37 79,2
Усиление адгезионного взаимодействия между элементами структуры за счет добавки связующего в количестве 5,0.6,5 кг/т сопровождается увеличением потенциально разрушающихся на линии разрыва волокон до 85 %.
Кроме того, указанные расходы связующего практически нивелируют исходные различия в свойствах волокон ЦВВ фракций 16 и 30 меш, по-
скольку значения /кр становятся близкими (0,90.1,10 мм).
Результаты второй серии экспериментов (табл. 4-6, рис. 3) дают представление как о влиянии на характеристики межволоконных взаимодействий степени разработки волокон, так и о совместном влиянии размола и добавки связующего. При этом для анализа были использованы данные, полученные для самой грубой фракции ЦВВ - 16 меш.
Прежде всего, следует отметить более выраженный и действенный результат влияния разработки клеточной стенки при размоле на характеристики межволоконного взаимодействия в структуре образцов по сравнению с использованием связующего. Межволоконные силы связи при испытании на сдвиг увеличиваются в 5,9 раза уже при степени помола 18 °ШР и далее непрерывно возрастают, достигая максимума в конечной точке исследованного диапазона (увеличиваются в 7,4 раза). Прочность связей на отрыв, оставаясь в абсолютном выражении на 1-2 порядка ниже, чем ^св, также резко возрастает (в 1,9 раза) и достигает максимума при 18 °ШР. Дальнейшее повышение степени помола приводит к постепенному снижению ^отр до 0,041 МПа, что соответствует уровню этого показателя при использовании 9,5 кг/т связующего.
Таким образом, начальная разработка грубых волокон ЦВВ при размоле, сопровождающаяся фибрилли-рованием, увеличением гибкости и появлением мелкой фракции, способствует увеличению когезионных взаимодействий в плоскости соединения слоев и усиливает прочность связей на отрыв по сравнению с использованием связующего реагента.
Эффект усиления когезионной способности волокон при разработке клеточной стенки более ярко проявляется и в отношении критической длины волокна. Их способность удерживаться в структуре бумаги за счет коге-зионной составляющей резко возрастает уже при достижении степени помола 18 °ШР, при которой разрыв должен быть характерен для единичных волокон длиной более 0,65 мм. Их процент составляет 5,1.
В случае адгезионного механизма увеличения межволоконных взаимодействий подобного снижения /кр не наблюдается.
Таблица 6
Влияние степени помола и расхода связующего на свойства волокон грубой фракции* сульфатной хвойной ЦВВ
Расход связующего, кг/т Степень помола, оШР ^св, МПа ^отр, МПа Ь0, м /кр, мм
0 11 0,480 0,030 13900 3,04
18 2,838 0,057 14300 0,65
28 2,920 0,051 13900 0,66
38 2,972 0,049 14100 0,88
48 3,569 0,041 14200 0,82
3,5 11 1,169 0,036 13750 1,09
18 3,137 0,051 15750 0,61
28 3,615 0,064 14100 0,72
38 3,666 0,067 14500 0,73
48 3,646 0,050 13600 0,57
6,5 11 1,253 0,037 14650 0,94
18 4,866 0,062 12900 0,37
28 4,893 0,060 13550 0,37
38 5,307 0,067 14550 0,51
48 3,805 0,055 13700 0,87
* Фракция волокон с сетки 6 меш.
Наряду с этим необходимо отметить, что дальнейшая разработка грубых волокон ЦВВ (более 28 °ШР) приводит к повышению 1кр на 0,15.0,20 мм. Это обусловлено неизбежным накоплением мелкой фракции волокон в массе.
Рис. 3. Зависимость фундаментальных характеристик волокон сульфатной хвойной ЦВВ (остаток на сите 16 меш) от степени помола при расходе связующего 3,5 кг/т: 1 - ^св; 2 - ^отр; 3 - Ь0;
4 - / • 5 - /
~ 'хр? ^ '•кр
Анализ совместного влияния разработки волокна (усиление когези-онных взаимодействий) и добавки связующего (адгезионная составляющая
межволоконных сил связи) показал, что при тех же условиях размола в совокупности с добавкой 3,5 и 6,5 кг/т первая составляющая вносит преимущественный вклад в общее связеобра-зование. При этом тенденции изменения ^св, ^отр и /кр, отмеченные применительно к одному фактору - размолу, в целом сохраняются.
Таким образом, лабораторные исследования межволоконных взаимодействий в структуре бумаги, основанные на измерении сдвиговых усилий и усилий отрыва, возникающих в плоскости контакта двух равнозначных слоев, а также расчет интегральной характеристики фундаментальных свойств -критической длины волокна, позволили установить следующее.
Абсолютные значения характеристик межволоконных взаимодействий при испытаниях на сдвиг и отрыв отличаются более чем на порядок. Это обусловлено различными механизмами взаимодействия волокон в структуре и вкладами отдельных составляющих межволоконных связей. В испытаниях на отрыв фиксируется лишь часть
межволоконных связей в плоскости соединения слоев без учета сил трения. При испытаниях на сдвиг, помимо ко-гезионной и адгезионной составляющих, суммарное межволоконное взаимодействие обусловлено силами поверхностного трения и другими возможными составляющим.
По результатам определения критической длины волокна возможна оценка механизма поведения волокон на линии разрыва, в том числе определение доли волокон, способных либо сохранять целостность, либо разрушаться.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иванов С.Н. Технология бумаги. М.: Лесн. пром-сть, 1970. 696 с.
2. Кларк Д. Технология целлюлозы. М.: Лесн. пром-сть, 1983. 456 с.
3. Комаров В.И. Критическая длина волокна -фактор, определяющий деформативность и прочность целлюлозно-бумажных материалов // Лесн. журн. 1993. № 4. С. 79-83. (Изв. высш. учеб. заведений).
4. Фляте Д.М. Свойства бумаги. М.: Лесн. пром-сть, 1986. 680 с.
5. Фролов М.В. Структурная механика бумаги. М.: Лесн. пром-сть, 1982. 272 с.
6. Strachn J. // BP & BMA, Tech. Sec. Proc., 6: 139, (1926); ibid., 13:61, (1932); ibid., 14:447, (1933).
7. Van den Akker J.A. Some theoretical considerations on the mechanical properties of fibrous structure // Formation and structure of paper. London, 1962. Р. 205-241.
Поступила 22.12.10
V.I. Komarov, E.V. Diakova, M.N. Dmitrieva Northern (Arctic) Federal University
Investigation of Interfibrillar Interaction in Paper Structure
Interfibrillar binding forces are determined for the laboratory samples of high-yield pulp under the shearing test in the layers plane and tear test in the perpendicular plane of a direction sheet.
Keywords: interfiblrillar binding force, cohesion ability, adhesion ability, cohesive, development degree, critical fiber length.
