CC BY
18
УДК 676.273
Е. В. Дубовой, Н. В. Щербак, И. Н. Ковернинский, А. В. Канарский
ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАЦИИ РАЗМЕРОВ СТЕКЛОВОЛОКНА И ВЛИЯНИЯ НА ИЗОТРОПИЮ БУМАГИ
Ключевые слова: Стеклянное волокно, стекловолокнистая бумага, длина и диаметр стекловолокна, фракционный состав,
полидисперсность волокна.
Проведены исследования полидисперсности по диметру и по длине 4-марок стеклянного волокна. Микроскопические исследования позволили установить распределение стекловолокон на фракции по диаметру и длине. Показано, что в пределах марок имеется большая вариация среднего диаметра и средней длины волокна. Для всех исследуемых марок волокна имеет место больше различие диаметра по длине отдельно взятого дискретного волокна от 38 до 78%. Общей закономерностью является уменьшение вариации диаметра, по мере увеличиения номинального диаметра волокна. Установленные закономерности полидисперсности по диаметру и длине волокна обуславливают макрофлоккуляцию волокна в водной суспензии, что приводит к получению стекловолокнистой бумаги с высокой неоднородностью структуры.В технологии стекловолокнистой бумаги следует применять специальные приемы для уменьшения отрицательно влияния макрофлоккулирования на качество стекловолокнистой бумаги, переводя процесс в сторону микрофлоккулирования.
Keywords: glass fiber, fiberglass paper, length and diameter offiberglass, fractional composition, polydispersity offiber.
Polydispersity studies on the diameter and length of 4-grades of glass fiber have been carried out. Microscopic studies have made it possible to establish the distribution of glass fibers to fractions along the diameter and length. It is shown that within the grades there is a large variation of the average diameter and average fiber length. For all investigated fiber brands, there is an greater difference diameter in the length of an individual discrete fiber from 38 to 78%. The general pattern is to reduce the variation in diameter as the nominal diameter of the fiber increases. The established regularities ofpolydispersity in the diameter and length of the fiber cause macroflocculation of the fiber in the aqueous suspension, which leads to the production of fiberglass paper with a high structural heterogeneity. In the technology of fiberglass paper, special techniques should be used to reduce the negative effect of macro-flocculation on the quality of fiberglass paper, shifting the process towards microflocculation.
Актуальность
Возможность применения бумаги из стекловолокна в качестве высокоэффективных микропористых элементов для прямого испарения воды в охладителях воздухаопределяется механической прочностью и капиллярной впитываемостью [1]. Оба фактора зависят от свойств стеклянного волокна - геометрических размеров, структуры объема и поверхности, активности поверхностных функциональных центров и сродства их к воде, а также параметров режима отлива бумаги [2-3]. Величины факторов должны быть максимально высокими для листовых материалов, производимых по бумагоделательной технологии. Исследование влияния вариации размеров стекловолокна на изотропию бумаги является актуальной задачей.
Цель исследования: установление
закономерностей вариации диаметра и длины стеклянного волокна и влияния ее на изотропию бумаги.
Методическая часть
В исследованиях использовали промышленное штапельное стеклянное волокно 4-х марок. Марки и характеристики представлены в таблице 1.
Все процессы с суспензией волокнистой массы и ее характеристики оценивали в соответствии с методиками, изложенными в трудах [4-7].
Таблица 1 - Марки штапельного стеклянного волокна
Марка волокна Название Номинальный диаметр волокна
мкм нм
НТВ-0,10 нанотонкое волокно 0,10 100
МТВ-0,25 микротонкое волокно 0,25 250
МТВ-0,40 микротонкое волокно 0,40 400
УТВ- 0,60 ультротонкое волокно 0,60 600
Результаты и обсуждения
Для повышения объективности данных о размерах волокна, были проведены микроскопические исследования выбранных марок. Измерение проводили с помощью оптического микроскопа с микрометром. Для исключения ошибки измерения выборка составляла не менее 60 измеряемых волокон в каждой серии, при пяти параллельных определениях на каждую исследуемую марку волокна. Результаты исследований диаметра волокна представлены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, волокна в пределах одной марки имеют большую неравномерность по
диаметру, о чем свидетельствует коэффициент вариации диаметров. Судя по величине вариации,
Таблица 2 - Результаты микроскопических исследований диаметраштапельного стеклянного волокна
Марка волокна Диаметр, мкм Коэффициент вариации(по всему объему выборки), %
средний min max
НТВ-0,10 0,105 0,02 0,38 76,5
МТВ-0,25 0,245 0,08 1,04 57,8
МТВ-0,40 0,357 0,24 1,04 31,2
УТВ-0,60 0,560 0,05 0,95 38,1
для всех марок волокна имеет место больше различие диаметра по длине волокна от 38 до 78%. Общей закономерностью является уменьшение вариации диаметра, по мере увеличиения номинального диаметра волокна.
Важным фактором качества волокна является его фракционный состав. Микроскопические исследования диаметра широкого спектра влокна, позволили установить распределение волокна на фракции по диаметру, гистограмы представлены на рисунке 1. По абсциссам - диаметр в мкм, по ординатам - массовые проценты.
НЭ-.
0,02 0,06 0,1 0,14 0,18 0,22 0,26 0,3 0,34 0,38
НТВ-0,10
МТВ 0,40
Рис. 1 - Распределение фракций стекловолокна по диаметру
0,56 0,72 0,88 1,04
УТВ 0,60
Анализ гистограмм показывает, что наиболее равномерным по диаметру является волокно марок МТВ-0,25 и МТВ-40. У них самый узкий интервал вариации диаметра с максимальным приближением основной массы волокна к номинальному диаметру.
В исследовании длины волокна определялись среднеарифметическая и средневзвешенная длина. Результаты исследований представлены в таблице 3.
Анализ данных показывает широкий интервал полидисперсности по длине волокна для всех марок. Распределение фракций по длине волокна для исследованных марок представлено на гистограммах рисунка 2. В отличие от распределения фракций по диаметру волокна, для длины волокна всех образцов нет вариантов с узким диапазоном фракций. Разброс значений длин волокон в рамках одной марки очень высокий.
Таблица 3 - Результаты микроскопических исследований длины стеклянных штапельных волокон разных марок
Длина волокна, мм Марка стекловолокна
НТВ- МТВ- МТВ УТВ-
0,10 0,25 0,40 0,60
Среднеарифметическая 1,70 2,91 3,26 4,96
Средневзвешенная 2,15 3,42 3,74 5,73
Кроме того, в ходе исследования было установлено, что волокна по длине имеют форму «сильно вытянутой капли», т.е. с одного конца, они в 1,5 - 2,5 раза толще, чем с другого. Волокна длиной менее 1,0 мм имеют более высокую
1,82
стабильность диаметра по длине. Подобием обнаруженных форм отличались все марки волокна.
Таким образом, для всех марок стеклянного волокна имеет место полидисперсность по диаметру и по длине.
НТВ-0,10
УТВ-0,60
Рис. 2 - Распределение фракций стекловолокна по длине
Следует заметить, что полидисперсность зависит от технологических факторов производства волокна. Что касается длины волокна, то штапельные стеклянные волокна изначально имеют заведомо большую длину (15-20 мм), при чем оптимально подходящий интервал длин для формования бумаги
(0,5-7,0 мм). Поэтому вариация длины волокна зависит от гидродинамической обработки исходного волокна перед отливом бумаги, а именно, укорочения волокна до требуемой средней длины.
Установленные вариации полидисперсности по диаметру и длине стеклянного волокна, предопределяют высокую неоднородность структуры стекловолокнистой бумаги. Величины вариации диаметров и длины, каплеобразная.
Рис. 3 - Влияние средней длины стекловолокна на размер флокул в бумаге
Геометрия волокна обуславливают малую плотность межволоконных контактов, а, следовательно, низкую механическую прочность и высокую пористость. Для прочности и пористости важно также свойство флоккуляции волокна в воде. Равномерность структуры бумаги исследовали на анализаторе просвета. На рисунке 3 показано влияние средней длины волокна на размер флокул в структуре бумаги (для марки волокна МТВ-0,25).
Анализ распределения флокул по размерам и форме показывает, что наиболее равномерный профиль флокул, близкий к сферической форме, образуют волокна со средней длиной 1,5 мм. При меньшей длине волокна преобладающий диаметр флокул составляет 10 мм и процесс можно отнести к макрофлоккулированию. Очевидно, что такие размеры флокул не могут обеспечить равномерность листа бумаги по физико-механическим свойствам и капиллярно-пористой структуре.
Поэтому в технологии следует применять специальные приемы для уменьшения отрицательно влияния макрофлоккулирования на качество стекловолокнистой бумаги, переводя процесс в микрофлоккулирование волокна.
Выводы
1. Проведены исследования полидисперсности по диметру и по длине 4-марок стеклянного волокна. Показано, что в пределах марок имеется большая вариация среднего диаметра и средней длины волокна.
2. Установленные закономерности полидисперсности по диаметру и длине волокна обуславливает макрофлоккуляцию волокна в водной суспензии, что приводит к получению стекловолокнистой бумаги с высокой анизотропией.
3. В технологии стекловолокнистой бумаги следует применять специальные приемы для уменьшения отрицательно влияния макрофлоккулирования на качество стекловолокнистой бумаги, переводя процесс в микрофлоккулирование волокна.
Литература
1. Свиридов Е.Б., Сысоева Н.В., Дубовый В.К., Безлаковский А.И.. Энергосберегающая экологически безопасная технология охлаждения воздуха широкомасштабного применения. 2-е изд.доп. СПб. 256 с. (2015).
2. СиркарА. Знакомство со стекловолокном и технологией его производства с использованием
процесса создания нетканых материалов. TAPPIJOURNAL.V.76. №4. С.167-175.(1993).
3. Дубовый В.К. Стеклянные волокна. Свойства и применение. СПб.: Изд-во Нестор. 130 с. (2003).
4. ДубовыйВ.К., ГурьевА.В., КазаковЯ.В., КомаровВ.И., КоноваловаГ.Н., СмолинА.С., ХованскийВ.В. Лабораторный практикум по технологии бумаги и картона. СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та. 230 с.(2006).
5. Дубовый В.К. Бумагоподобные композиционные материалы на основе минеральных волокон. Докторская диссертация. СПб.СПбГЛТА.(2006).
6. Коваленко В.В.,СысоеваН.В., ДубовыйВ.К., БезлаковскийА.И. Фракционный состав по диаметру штапельных волокон, используемы в производстве бумаги специального назначения. ИВУЗ Лесной журнал. № 5. С. 101-105.(2011).
7. Коваленко В.В., СысоеваН.В., ДубовыйВ.К., Безлаковский А.И. Фракционный состав по длине стеклянных штапельных волокон используемых в производстве бумаги. Методы определения. ИВУЗ Лесной журнал. № 6. С.101-106.(2011).
© Е. В. Дубовой - аспирант Санкт-Петербургский Политехнический Университет Петра Великого, dubovoy.evgeniy@gmail.com; Н. В. Щербак - к.т.н. доцент Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова; И. Н. Ковернинский - д.т.н., профессор, президент НП НПК «Бумага и картон», kovern@list.ru; А. В. Канарский - д.т.н., профессор, каф. пищевой биотехнологии, КНИТУ, alb46@mail.ru.
© E. V. Dubovoy - postgraduate student Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University, dubovoy.evgeniy@gmail.com; N. V. Shcherbak - PhD (Engineering), associate professor Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov,: n.sisoeva@narfu.ru; 1 N. Kovernincky - DSc (Engineering) professor, research and production cluster «Paper and Cardboard» Russia, Moscow, PHDof Technical Sciences. Professor, kovern@list.ru; A. V. Kanarskiy - Dr. Tech. Sci., professor, Department of Food Biotechnology, Kazan National Research Technological University, alb46@mail.ru.
