CC BY
69
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СВОЙСТВ БУМАГИ И КАРТОНА НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
В.И. АЗАРОВ, д.т.н., профессор МГУЛа,
И.Н. КОВЕРНИНСКИЙ, д.т.н., профессор МГУЛа, A.A. ЗУБАРЕВ, аспирант МГУЛа
Развитие и совершенствование производства композиционных материалов в виде бумаги и картона является одним из перспективных направлений тарной и упаковочной отрасли народного хозяйства.
Как известно, спектр применения бумажных и картонных гильз и втулок имеет достаточно широкую область применения. Изделие, такое, как картонная трубка - это и чехол для термометра, и транспортирующая оболочка для снаряда, и втулка для намотки и транспортировки готовых бумажных, хлопчатобумажных изделий, а также различных пленок, веревок и т.д. В частности, все больше эта технология внедряется в пищевую промышленность, к примеру, чипсы в цилиндрической упаковке и многое другое. Их можно также использовать в качестве предохраняющей оболочки для элитных сортов вин и др.
Гильза изготавливается из нескольких слоев картона или бумаги путем обма-кивания непрерывных лент из сырья в клей с последующим прижимом кольцевыми рем-
нями на металличекском цилиндре, и образуя таким образом непрерывную трубку, которая разрезается тут же на отрезки одинакового размера.
В данной статье помещены данные авторов по исследованию прочностных характеристик многослойных трубок из бумаги и картона, полученных на гильзонавивном станке. Суть проведенных экспериментов заключается в изучении поведения гильзы под влиянием нагрузок. Макетом гильзы при испытаниях были плоские многослойные образцы из картона, склеенные силикатным клеем. Размеры полосок: ширина 25 мм и длина 100 мм. Толщина набора у всех образцов использовалась одна ~ 5 мм. Также были использованы и сами фрагменты трубок шириной 25 мм, напоминающих кольца. Методика измерения является стандартной. Испытания проводились на измерительной машине ИР-5040, фиксирующей напряжения разрушения испытуемых образцов и выводящей графическую зависимость напряжение-сжатие на принтер.
Таблица 1
Прочностные показатели картонов
Показатели К-400 (Ступинская КФ) К-200 (Котласский ЦБК)
1. Удельное сопротивление изгибу, Н/см2 74,2 113,7
2. Удельное сопротивление сжатию, 465 722
Н/см2
3. Усилие расслаиванию, Н 109 221
4. Удельная прочность на разрыв, Н/см"1
- продольное 2823,5 3684
- поперечное 1000 1333
- сред, арифметическое 1911,5 2508
Ступинский картон ( из макулатуры ]
Рис. 1. Варианты взаимного расположения обоих видов картона
Схема испытания показана на рис. 2. Фрагмент трубки разрушается между двумя плоскостями и при этом измеряется разрушающее напряжение в зависимости от деформации. В данном случае использовались только два вида картона: из свежей целлюлозы (прочный) и макулатурный. Цель эксперимента- выяснить, в каком сочетании между собой эти два разных по прочности картона образуют более прочную и устойчивую конструкцию. Другими словами, в какой именно конструкции меньше всего наблюдается резкое уменьшение прочности при конструировании трубок из прочного и слабого картона. Это есть один из наилучших способов, которым можно регулировать прочностные характеристики гильзы при неизменной толщине.
Не секрет, что в большинстве случаев бумажная гильза имеет недолгую жизнь, ведь предназначена она во многих случаях только лишь для доставки или хранения каких-либо изделий, например, рулонов бумаги, являясь сердцевиной рулона. В каких-то случаях, трубка должна отвечать более жестким требованиях, где присутствуют большие нагрузки и их нужно выдерживать, чтобы не повредить или не деформировать доставляемую продукцию, в каких-то наоборот, нужна более мягкая трубка, например, являясь чехлом для термометра и т.д. Как правило, вышеуказанные тарные изделия не принимаются обратно в качестве тары, так как доставка этой тары обратно в большинстве случаев не выгодна. С экономической точки зрения, при своей долгой или недолгой жизни, трубка должна полностью отработать весь заложенный в нее запас прочности.
В табл. 1 приведены результаты сравнительных замеров прочностных показателей для двух наиболее характерных видов картонов (для приведения результатов измерений во взаимосравнение, полученное разрывное усилие относится к 1 мм толщи-
ны картона и ширине полоски в 100 мм. Размерность - Н/'мм ):
1 - картона К-400 Ступинской БФ, как пример «слабого», но дешевого макулатурного картона.
2- картона К-200 Котласского ЦБК (пример картона из 100 % целлюлозы - следовательно, дороже чем предыдущий, но во многом превосходящий его).
На рис. 1 показаны другие возможные варианты взаимного расположения двух сортов картона.
Исходя из полученных результатов лучше всего подходит вариант № 1, где в качестве среднего слоя заложен макулатурный картон. При разрушении средний слой «работает» только на расслаивание. И в данном случае прочность гильзы определяется лишь прочностью межволоконного сцепления внутри серединного слоя. Внутренний и внешний слои работают в основном на сжатие/растяжение, как показали эксперименты. На рис. 2 показан увеличенный график зависимости прочности гильзы от процентного содержания в ней картона из свежей целлюлозы и из макулатуры. Наилучший вариант -в середине заложен слабый, по краям -сильный сорт.
На прочность вышеуказанных гильз и трубок еще сильно влияет клей. Склеивание картонных слоев для получения гильзы чаще всего производится с помощью силикатного клея, который обладает относительно высокой прочностью клеевого шва и значительно дешевле остальных клеев, применимых для изготовления бумажных или картонных гильз. Было изучено влияние свежести силикатного клея на прочность изделий. На рис. 3 показана зависимость прочности двух одинаковых гильз, с той лишь разницей, что первая была склеена свежим клеем, а другая выдержанным 20 суток. Как видно из графика - прочность у первой гильзы почти в полтора раза выше той, которая склеена выдержанным клеем.
Содержание целлюлозного картона в гильзе,% Остальное - макулатурный картон
Рис. 2. Зависимость прочности гильз от содержания картона из свежей целлюлозы и макулатуры Нагрузка, Н
Рис. 3. Зависимость деформации гильзы от свежести силикатного клея
Выводы
• Показано, что в большинстве случаев необязательно использовать в гильзу только дорогой и прочный картон, т.к. не всегда нужна максимальная прочность. В средних слоях можно использовать более дешевый,
макулатурный картон, и прочность при этом остается удовлетворительной.
• Не следует варить силикатный клей «про запас», так как при хранении он существенно теряет свои прочностные и клеящие свойства.
