CC BY
41
Химия растительного сырья. 2013. №3. С. 65-69. DOI: 10.14258/jcprm.1303065
УДК 676.166:541.12 СВОЙСТВА ПЕРОКСИДНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ ОДНОЛЕТНИХ РАСТЕНИЙ. 5. ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛИСТА*
12 11 © Р.З. Пен , Я.В. Казаков , Н.В. Каретникова , И.А. Вшивкова
1 Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82,
Красноярск, 660049 (Россия), [email protected]
2Северный (Арктический) федеральный университет, наб. Северной Двины,
17, Архангельск, 163002 (Россия)
Пероксидная целлюлоза (получена делигнификацией реакционной смесью «Н202-Н20-Ас0Н-Ас00Н-катализатор») и сульфатная целлюлоза из стеблей пшеничной соломы размолоты до 28-30° ШР. Определены деформационные свойства бумажных отливок: модуль упругости, работа деформации, жесткость и продолжительность релаксации при растяжении и др. При одинаковых механических напряжениях лист из соломенной целлюлозы деформируется в большей степени, чем из древесной, а из сульфатной целлюлозы - в большей степени, чем из пероксидной.
Ключевые слова: солома пшеницы, пероксидная делигнификация, целлюлоза из соломы, целлюлозные волокна.
Введение
Наибольшее значение при оценке потребительских свойств технической целлюлозы, бумаги и картона имеет испытание на растяжение. Получаемые при этом кривые зависимости «нагрузка-удлинение» (Р-Д/) и «напряжение-деформация» (о-е) являются интегральной характеристикой деформационного поведения целлюлозно-бумажных материалов при растяжении.
Анализ зависимости «напряжение-деформация» при статическом нагружении образца бумаги позволяет выделить четыре области действия различных механизмов деформирования и разрушения (рис. 1) [2].
На начальном отрезке (между точками 0 и 1 на кривой) зависимость между напряжением с и деформацией е линейна. Это область упругого деформирования волокон и межволоконных связей. Точка 1 соответствует пределу упругости с1.
Отрезок между точками 1 иП криволинейный. Считается [2], что это обусловлено извлечением концов неразорванных волокон, длина которых / меньше критического значения /кр, из стенок трещин, образовавшихся в структуре листа. Развитие трещин сдерживается более длинными волокнами />/кр, концы которых оказываются закрепленными по разным сторонам трещины (образования такого типа получили название «крейзы» [3]).
В области напряжений, которым соответствует отрезок кривой между точками П и В, происходит выдергивание концов волокон с разрушением межволоконных связей и преодолением сил трения. Сдвиговые касательные напряжения и «крейзование» вызывают пластическую деформацию.
“Предыдущее сообщение см. [1]
** Автор, с которым следует вести переписку
Пен Роберт Зусьевич - профессор кафедры
целлюлозно-бумажного производства и химических
волокон, доктор технических наук,
тел.: (391) 227-37-10; e-mail: [email protected]
Казаков Яков Владимирович - заведующий кафедрой
технологии целлюлозно-бумажного производства,
кандидат технических наук, доцент,
тел.: (8182) 65-74-82, e-mail: [email protected]
Каретникова Наталья Викторовна - доцент кафедры
целлюлозно-бумажного производства и химических
волокон, кандидат химических наук,
тел.: (391) 227-37-10; e-mail: [email protected]
Вшивкова Ирина Анатольевна - аспирант кафедры
целлюлозно-бумажного производства и химических
волокон, тел.: (391) 227-37-10; e-mail: [email protected]
Линейный отрезок между точками ВиР соответствует разрушению межволоконных связей у вершин трещин. Деформация в этой области завершается разрывом испытуемого образца.
Экспериментальная часть
Объектом исследования служили образцы пероксидной и сульфатной целлюлозы из пшеничной соломы и еловой древесины и отливки из них, условия изготовления и характеристики которых приведены в предыдущих сообщениях [1, 6].
Для определения характеристик деформативности отливок при растяжении использовали испытательный комплекс, включающий разрывную машину «Тестсистема 101», персональный компьютер и специальное программное обеспечение [2, 4]. При испытании образцов, нагружаемых с постоянной скоростью, регистрировались зависимости «нагрузка - удлинение». В ходе математической обработки по полученным экспериментальным кривым строились усредненные (по нескольким «параллельным» испытаниям) графики зависимости «напряжение - деформация» и определялись координаты характерных точек (рис. 1): предел упругости (1), эффективная точка (Э), начало пластической деформации (П), начало дополнительной вытяжки (В), разрушение образца (Р). Для каждой характерной точки рассчитывались величины прочностных и деформационных характеристик: напряжение с, деформация е, текущий модуль упругости Ег, модуль общей деформации ЕОЛ, работа деформации А, жесткость при растяжении Би продолжительность релаксации напряжения п [4, 5].
Обсуждениерезулътатов
На рисунке 2 приведены сглаженные и усредненные кривые зависимости «нагрузка - удлинение» для отливок из всех испытанных образцов целлюлозы, на рисунке 3 - зависимости «напряжение - деформация», характеризующие деформационное поведение материала. Различие проявляется в смене порядка кривых 1 и 4 в упругой и замедленно-упругой областях деформирования при переходе от координат «нагрузка - удлинение» к координатам «напряжение - деформация».
Вид растительного сырья существенно влияет на деформационные свойства целлюлозы. При одинаковых механических напряжениях оба образца из соломенной целлюлозы деформируются в большей степени, чем из древесной целлюлозы. Причиной этого, очевидно, является то, что структура отливки из соломенной целлюлозы сформирована из менее длинных, более тонких и более извитых волокон с большим числом изломов, с существенно меньшей грубостью [1, 6], они легче деформируются и снижают жесткость структуры.
1
/
/ л в
Ж ■г? п
/ Э
1
о Є-І
Рис. 1. Схема деформационных состояний бумажного листа при растяжении: е -деформация; с - напряжение. Характерные точки: 1 - предел упругости; Э - эффективная точка; П - начало пластической деформации; В -начало дополнительной вытяжки; Р - разрушение образца
Рис. 2. Зависимости «нагрузка (Р) - удлинение (Д£)»: 1 - пероксидная целлюлоза из пшеничной соломы; 2 - сульфатная целлюлоза из соломы;
3 - пероксидная целлюлоза из еловой древесины;
4 - сульфатная целлюлоза из древесины
Заметное влияние на обсуждаемые свойства оказывает и способ делигнификации. Кривые деформирования образцов из пероксидной целлюлозы (кривые 1 и 3 на рис. 3) располагаются выше, чем кривые для образцов из сульфатной целлюлозы (кривые 2 и 4 на рис. 3), т.е. отливки из сульфатной целлюлозы более подвержены деформациям, чем отливки из пероксидной целлюлозы. Волокна пероксидной целлюлозы образуют более плотный и тонкий бумажный лист, чем сульфатная целлюлоза (при одинаковой массе 1 м2) [1]. Упругие и жесткостные свойства бумажного листа в сильной степени определяются межволоконными силами связи. Для пероксидного способа варки характерны более селективная делигнификация и сохранение углеводного комплекса (гемицеллюлоз и низкомолекулярные фракции целлюлозы), который обеспечивает развитие поверхности волокон при размоле, повышение когезионной способности и способности к уплотнению во влажном состоянии.
На рисунках 4-7 представлены результаты более детального анализа изучаемых зависимостей.
В изменении характеристик жесткости структуры - текущего модуля упругости Е1 (рис. 4) и модуля общей деформации Еол (рис. 5) - просматриваются одинаковые закономерности: по мере увеличения деформации образца они снижаются, т.е. уменьшается жесткость структуры: наибольшие величины обоих модулей у отливок из пероксидной древесной целлюлозы (образец 3), наименьшие - у образцов из сульфатной соломенной целлюлозы (образец 4). Пониженная жесткость волокон соломенной целлюлозы может быть компенсирована переходом от сульфатного к пероксидному способу варки - величины характеристик примерно равны.
Рис. 3. Зависимости «напряжение (с) -деформация (е)»; обозначения те же, что на рисунке 2
Рис. 4. Текущий модуль упругости Еі (при растяжении) в точках 1, Э, П, В, Р (см. рис. 1). Вид целлюлозы: 1 - пероксидная из соломы;
2 - сульфатная из соломы; 3 - пероксидная из древесины; 4 - сульфатная из древесины
Рис. 5. Модуль общей деформации Еод (обозначения вида целлюлозы и характерных точек те же, что на рисунке 4)
Рис. 6. Работа деформации А (обозначения вида целлюлозы и характерных точек те же, что на рисунке 4)
Рис. 7. Продолжительность релаксации п и жесткость при растяжении (обозначения вида целлюлозы и характерных точек те же, что на рисунке 4)
Величина работы деформации А, являясь комплексной характеристикой прочности и растяжимости, характеризует динамическую прочность материала. Ранжирование образцов по этой характеристике меняется при переходе от зоны упругости к зоне предразрушения (рис. 6): при малых деформациях работа больше у отливок из древесной сульфатной целлюлозы, что связано с повышенной жесткостью волокон, а при больших деформациях - у отливок из соломенной пероксидной целлюлозы вследствие повышенной растяжимости структуры из тонких и гибких волокон.
Большое практическое значение имеют релаксационные свойства бумажного листа, так как в условиях эксплуатации материал часто претерпевает многократные деформации. Релаксационные процессы обусловливают гистерезисные явления, которые проявляются в несовпадении кривых «напряжение - деформация», полученных при постепенном увеличении и последующем уменьшении напряжения. После полной разгрузки испытуемый образец не возвращается к своей первоначальной длине, в нем сохраняется остаточная деформация. Наличие гистерезисной петли обычно связывают с пластической деформацией, однако это может быть и следствием релаксационного характера развивающейся деформации [2, с. 91]. Количественной характеристикой этого явления служит продолжительность релаксации напряжения п. Образцы целлюлозы ранжируются по этому показателю во всех характерных точках в том же порядке, что и жесткость при растяжении (рис. 7). Наибольшая продолжительность релаксации характерна для древесной пероксидной целлюлозы. Эта же целлюлоза заметно выделяется среди всех подвергнутых испытанию образцов высокими значениями текущих модулей упругости (рис. 4) и модулей общей деформации (рис. 5).
Заключение
Структура отливки из соломенной целлюлозы формируется из менее длинных, более тонких и более извитых волокон с большим числом изломов, с существенно меньшей грубостью в сравнении с сульфатной целлюлозой. Вследствие этого бумажный лист из соломенной целлюлозы легче деформируется, снижается жесткость его структуры.
Пониженная жесткость волокон соломенной целлюлозы может быть компенсирована переходом от сульфатного к пероксидному способу варки, для которого характерна более селективная делигнификация и сохранение углеводного комплекса, обеспечивающего развитие поверхности волокон при размоле, повышение когезионной способности и способности волокнистой структуры противостоять деформациям.
Список литературы
1. Пен Р.З., Казаков Я.В,, Каретникова Н.В., Вшивкова И.А. Свойства пероксидной целлюлозы из однолетних растений. 4. Размол волокнистой массы и прочность листа // Химия растительного сырья. 2013. №3. С. 59-63.
2. Комаров В.И. Деформация и разрушение волокнистых целлюлозно-бумажных материалов. Архангельск, 2002. 440 с.
Бартенев Г.М. Прочность и механизм разрушения полимеров. М., 1984. 280 с.
Комаров В.И., Казаков Я.В. Анализ механического поведения целлюлозно-бумажных материалов при приложении растягивающей нагрузки // Лесной вестник. 2000. № 3. С. 52-62.
Казаков Я.В. Практика использования характеристик деформативности для оценки качества бумаги и картона // Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов. Архангельск, 2011. С. 88-94.
Вшивкова И.А., Пен Р.З., Каретникова Н.В. Свойства пероксидной целлюлозы из однолетних растений.
3. Размерые характеристики волокон из пшеничной соломы // Химиярастительного сырья. 2013. №2. С. 37-41.
Поступило в редакцию 26 января 2013 г.
3.
4.
5.
После переработки 3 февраля 2013 г.
Pen R.Z.1*, Kazakov Y.V.2, Karetnikova N.V.1, Vshivkova I.A.1 PEROXIDE PULPING PROPERTIES OF ANNUAL PLANTS. 5. DEFORMATION PROPERTIES OF PULP SHEET
1Siberian State Technological University, Mira st., 82, Krasnoyarsk, 660049 (Russia), e-mail: [email protected] 2Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Severnaya Dvina Emb. 17, Arkhangelsk, 163002 (Russia)
Peroxide pulp (received by means delignification with reactive mixture «H202-H20-Ac0H-Ac00H-catalyst») and sulfate pulp from stems of wheat straw are beaten to 28-30° SR. Deformation properties of pulp sheet are defined: modulus of elasticity, work of deformation, tension stiffness, relaxation time and others. of Straw pulp sheet is deformed more than wood pulp sheet and from sulphate pulp - under identical mechanical stress.
Keywords: wheat straw, peroxide delignification, pulp of wheat straw
References
1. Pen R.Z., Kazakov Ia.V,, Karetnikova N.V., Vshivkova I.A. Khimiia rastitel’nogo syr’ia, 2013, no. 3, pp. 59-63. (in Russ.).
2. Komarov V.I. Deformatsiia i razrushenie voloknistykh tselliulozno-bumazhnykh materialov. [Deformation and fracture of fibrous pulp and paper materials]. Arkhangelsk, 2002, 440 p. (in Russ.).
3. Bartenev G.M. Prochnost’ i mekhanizm razrusheniia polimerov. [Strength and fracture mechanism of polymers]. Moscow, 1984, 280 p. (in Russ.).
4. Komarov V.I., Kazakov Ia.V. Lesnoi vestnik, 2000, no. 3, pp. 52-62. (in Russ.).
5. Kazakov Ia.V. Problemy mekhaniki tselliulozno-bumazhnykh materialov. [Problems of pulp and paper materials]. Arkhangelsk, 2011, pp. 88-94. (in Russ.).
6. Vshivkova I.A., Pen R.Z., Karetnikova N.V. Khimiia rastitel’nogo syr’ia, 2013, no. 2, pp. 37-41. (in Russ.).
Received January 26, 2013 Revised February 3, 2013
* Corresponding author.
