CC BY
28
УДК 676. 62
Н.И. Яблочкин, В.И. Комаров
РАЗЛИЧИЯ В МЕХАНИЧЕСКОМ ПОВЕДЕНИИ КАРТОНОВ-ЛАЙНЕРОВ, ПРОИЗВЕДЕННЫХ ИЗ ПЕРВИЧНОГО ИЛИ ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА
Проведено сравнение механического поведения образцов крафт- и тест-лайнеров различных производителей, в ходе анализа кинетики процесса разрушения установлена особая роль замедленно-упругого деформирования.
Ключевые слова: крафт-лайнер, тест-лайнер, вязкоупругость, разрушение, зоны разрушения, работа разрушения, кинетика, прочность, упругость.
Во второй половине ХХ в. в мировой практике производства бумаги и картона значительно вырос интерес к использованию макулатуры в качестве источника вторичного волокна. Это объяснялось как ужесточением законодательства по охране окружающей среды, так и экономической целесообразностью. Поэтому при производстве материалов с использованием макулатуры необходимо знать их потребительские свойства. Расширение номенклатуры характеристик, оценивающих механическое поведение данного класса материалов [1, 2, 5, 7-9] при растяжении и изгибе, позволит совершенствовать технологию подготовки массы из вторичного волокна для повышения качества продукции.
Цель данной работы - установить характеристики механического поведения картона тест-лайнера, отличающие его от крафт-лайнера и повышающие потребительские свойства материала из вторичного волокна.
Анализу подвергнуты экспериментальные данные, полученные при испытаниях образцов крафт (1 и 2)- и тест (1 и 2)-лайнеров, произведенных на четырех предприятиях. Образцы имели массу 150 г/м2.
Крафт-лайнеры изготовлены из сульфатной небеленой хвойной полуцеллюлозы с добавкой в основной слой лиственной нейтрально-сульфитной полуцеллюлозы (НСПЦ). Крафт-лайнер 2 содержал примерно в два раза больше НСПЦ в композиции основного слоя, степень помола волокна в котором была выше на 4... 6 °ШР по сравнению с крафт-лайнером 1.
Технология изготовления тест-лайнеров отличалась композицией по волокну и параметрами подготовки бумажной массы. Бумажная масса тест-лайнера 1 содержала четыре марки макулатуры, сортировалась с большей эффективностью, набухание волокна при подготовке продолжалось более длительное время.
Механическое поведение целлюлозно-бумажных материалов и кинетика изменения их основных характеристик хорошо иллюстрируются кривыми зависимостей усилие-удлинение (Р - А/, машинная диаграмма) и напряжение-деформация (с - в), получаемой расчетным путем при использо-
вании первой кривой. В работе [3] было показано, что бумага является вязкоупругим материалом, в котором наряду с мгновенными упругими деформациями развиваются неупругие деформации; величина этих деформаций в определенной степени зависит от продолжительности или скорости приложения нагрузки. Для оценки таких материалов широко используют такие характеристики, как работа разрушения Ар и трещино-стойкость, оцениваемая величиной 3-интеграла (3ю).
/ V ш 2Г
/
.—
2
'п
7
АС
Рис. 1. Составляющие процесса разрушения волокнистого целлюлозно-бумажного материала: Ар = Ау+Аз-у+Ап+Ат; 1 - предел Анализ кривых зависимостей Р - М упругости; П - начало образо-и с - в позволяет выделить четыре харак- вания пластических деформа-терные точки (рис. 1), ограничивающие зо- ций; 2 - начало быстрого роста ны, в которых работают различные меха- трещины; 3 - разрушение
низмы деформирования и разрушения дан- материала
ных материалов: I - деформирование волокон и межволоконных связей, совершается работа в области упругих деформаций Ау; II - начало образования трещины (разрушаются связи на концах малодеформированных волокон), работа в области начальных замедленно-упругих деформаций Аз-у; III - замедленное образование трещины (отрыв деформированных волокон) при слиянии микрокапилляров, работа на конечном участке замедленно-упругих деформаций Ап ; IV - быстрый рост трещины и разрушение материала (разрыв волокон), работа в области предразрушения Ат.
На рис. 2 и в таблице представлены экспериментальные данные, полученные при испытании образцов картонов на растяжение в машинном (МБ) и поперечном машинному (СБ) направлениях.
Рис. 2. Кривые зависимости с - в при испытаниях в направлении МБ (а) и СБ (б): 1 - крафт-лайнер 1; 2 - 2; 3 - тест-лайнер 1; 4 - 2 (обозначения использованы и на рис. 3-5)
Изменение характеристик деформативности и прочности картонов-лайнеров в процессе деформирования при растяжении и изгибе в направлениях МБ и СБ
Характе- Образец МБ СБ
ристика картона Значение характеристики в точках
1 | П I 2 1 3 1 П 2 3
Р, Н Крафт-лайнер 44,06 163,45 232,72 256,94 19,00 62,65 76,93 79,83
105,72 165,87 200,73 223,46 30,03 74,29 86,77 91,42
Тест-лайнер 16,91 86,92 106,90 112,63 14,53 51,76 61,99 64,55
21,49 72,34 90,70 95,78 17,75 44,96 53,66 55,85
с, МПа Крафт-лайнер 12,22 45,33 64,54 71,25 5,23 17,24 21,18 21,97
29,71 46,62 56,42 62,81 8,21 20,31 23,73 25,00
Тест-лайнер 4,09 21,01 25,84 27,23 3,47 12,36 14,80 15,41
5,83 19,62 24,60 25,98 4,77 12,09 14,43 15,01
в, % Крафт-лайнер 0,22 0,99 1,68 1,97 0,30 1,53 2,74 3,09
0,63 1,06 1,40 1,67 0,42 1,47 2,29 2,73
Тест-лайнер 0,15 0,97 1,43 1,62 0,22 1,19 1,88 2,14
0,22 0,96 1,47 1,67 0,31 1,16 1,82 2,07
А, мДж Крафт-лайнер 88,0 225,5 288,7 23 56,3 141,3 167,4
31,0 88,6 149,7 205,3 6,2 63,1 129,2 167,5
Тест-лайнер 10 47,7 90,2 109,3 16 37,1 75,7 91,0
2,0 38,6 80,3 97,5 2,8 31,1 63,1 75,9
Е, МПа Крафт-лайнер 5546 3330 2398 2244 1804 458 245 222
5024 3313 2551 2265 1981 578 316 274
Тест-лайнер 2756 1302 828 731 1601 471 260 222
2689 1202 762 677 1552 474 262 227
Еод, МПа Крафт-лайнер 5466 4568 3844 3613 1773 1126 773 712
4700 4380 4024 3753 1959 1382 1036 914
Тест-лайнер 2711 2157 1804 1686 1584 1040 787 719
2661 2047 1669 1555 1527 1043 793 726
п, с Крафт-лайнер 15,9 12,4 11,1 14,7 12,5 12,0
22,9 17,3 14,4 18,8 14,8 13,5
Тест-лайнер 15,6 12,3 11,0 12,2 10,6 10,0
13,9 11,1 10,2 13,1 11,0 10,3
Примечание. В числителе - данные для образцов 1, в знаменателе - 2.
Различия в механическом поведении крафт- и тест-лайнеров проявляются в большей степени при испытании в направлении МБ. Для тест-лайнеров ход кривых зависимости с - в идентичен при испытании в обоих направлениях (МБ и СБ), в то время как у крафт-лайнеров наблюдаются существенные различия. Введение в композицию крафт-лайнера 2 больших количеств коротковолокнистой НСПЦ приводит к снижению величины деформации разрушения вр в одном случае (рис. 2, а) и заметному различию в ходе кривых в другом (рис. 2, б). Для интерпретации полученных данных на рис. 3-5 представлены изменение величины работы разрушения Ар, вклад различных составляющих процесса разрушения в Ар, относительный вклад работ в различных зонах деформирования в Ар.
Рис. 3. Изменение Ар при испытании на растяжение в точках, соответствующих рис. 1: 1 (Ау), П (Аз-у), 2 (Ап) и 3 (Ат)
Из рис. 3 следует, что ход кривых определяется видом волокна, картон из первичного более длинного волокна обнаруживает наиболее высокие значения характеристик; закономерность изменения характеристик зависит от того, какое волокно (первичное или вторичное) присутствует в структуре картона; закономерности изменения работы разрушения в III и IV зонах деформирования идентичны, основное различие в механическом поведении обусловлено процессами, происходящими в I и II зонах, т. е. оно определяется поведением в силовом поле межволоконных сил связи и перемещениями (занятие оптимального, с энергетической точки зрения, положения коротких волокон (l << 4p)).
Из рис. 4 следует, что основное различие в механическом поведении крафт- и тест-лайнеров формируется во II и III зонах деформирования при заметном влиянии явлений, происходящих в IV зоне.
Однако относительный вклад работ, произведенных в различных зонах деформирования, в Ар не зависит от абсолютной величины работы и во всех исследуемых случаях отличается незначительно (рис. 5).
Таким образом, механическое поведение материала (следовательно весь комплекс его деформационных и прочностных свойств) в значительной мере зависит от замедленно-упругой деформации, т.е. проявления вязкоуп-ругих свойств в II и III зонах кривой зависимости с - в. Это обусловлено величиной критической длины волокна 1к, содержанием волокон с l < 1кр и l > 1кр и относительным вкладом в возникающую пластическую деформацию механизмов сдвиговой вынужденной эластичности и крейзования [4, 6].
Рис. 4. Вклад составляющих процесса разрушения Ау, Аз-у, Ап, Ат (здесь и далее на рис. 5, □ - Ау, □ - Аз-у, □ - Ап, □ - Ат) в Ар для различных образцов картонов-лайнеров (1 - 4) при испытании в направлениях МБ (а) и СБ (б)
Рис. 5. Относительный вклад В составляющих процесса разрушения в Ар для различных образцов картонов-лайнеров (1 - 4) при испытании в направлениях МБ (а) и СО (б)
Следовательно, для повышения деформационных и прочностных свойств тест-лайнеров особое значение приобретают процессы набухания и фракционирования по длине волокна с последующей избирательной обработкой вторичных волокон.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гурьев А.В. Связь упругих характеристик компонентов гофрированного картона с его потребительскими свойствами / А.В. Гурьев, В.И. Комаров // Целлюлоза. Бумага. Картон. - 1997. - № 9-10. - С. 22-24.
2. Комаров В.И. Анализ механического поведения целлюлозно-бумажных материалов при приложении растягивающей нагрузки / В.И. Комаров, Я.В. Казаков // Лесн. вестник / МГУЛ. - 2000. - № 3 (12). - С. 52-62.
3. Комаров В.И. Вязкоупругость целлюлозно-бумажных материалов / В.И. Комаров // Лесн. журн. - 1997. - № 6. - С. 25-44. - (Изв. высш. учеб. заведений).
4. Комаров В.И. Критическая длина волокна - фактор, определяющий де-формативность и прочность целлюлозно-бумажных материалов / В.И. Комаров // Лесн. журн. - 1993. - № 4. - С. 79-83. - (Изв. высш. учеб. заведений).
5. Комаров В.И. Механизм разрушения целлюлозно-бумажных материалов / В.И. Комаров // Лесн. журн. - 1999. - № 4. - С. 96-103. - (Изв. высш. учеб. заведений).
6. Комаров В.И. Расчет коэффициента Пуассона при испытании на растяжение целлюлозно-бумажных материалов / В.И. Комаров, Я.В. Казаков // Лесн. журн. - 1993. - № 5-6. - С. 133-136. - (Изв. высш. учеб. заведений).
7. Комаров В.И. J-интеграл - характеристика структуры целлюлозно-бумажных материалов / В.И. Комаров // Целлюлоза. Бумага. Картон. - 1997. -№ 5-6. - С. 26-29.
8. Сысоева Н.В. Характеристики жесткости при изгибе и растяжении компонентов гофрированного картона / Н.В. Сысоева, А.В. Гурьев, В.И. Комаров // Лесн. вестник / МГУЛ. - 2000. - № 4 (13). - С. 125-134.
9. Яблочкин Н.И. Сравнение деформационных свойств тарных картонов / Н.И. Яблочкин, Н.В. Сысоева, А.В. Гурьев, В.И. Комаров // Создание конкурентоспособного оборудования и технологий для изготовления бумажно-картонной про-
дукции из вторичного волокнистого сырья: научн. тр. 3-й Междунар. научно-техн. конф. - Караваево-Правдинский, 2002. - С. 87-91.
Архангельский государственный технический университет
Поступила 10.10.04
N.I. Yablochkin, V.I. Komarov
Differences in Mechanical Behavior of Cardboard-liners Produced from Primary and Secondary Fiber
Comparison of the mechanical behavior of kraft- and test-liner samples of different producers is carried out. A special role of delayed-elastic deformation is determined during the analysis of destruction kinetics.
