CC BY
33
УДК 676.16
В.И. Комаров, М.А. Холмова
Комаров Валерий Иванович родился в 1946 г., окончил в 1969 г. Ленинградскую лесотехническую академию, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии целлюлозно-бумажного производства Архангельского государственного технического университета, заслуженный деятель науки РФ, почетный работник высшего профессионального образования РФ, почетный работник лесной промышленности, член международного научного общества ЕиЯОМЕСИ. Имеет более 400 научных работ в области исследования свойств деформативности и прочности целлюлозно-бумажных материалов.
Холмова Марина Анатольевна родилась в 1981 г., окончила в 2003 г. Архангельский государственный технический университет. Аспирант кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства. Имеет 9 печатных работ в области получения сульфатной хвойной небеленой ЦВВ.
ВЛИЯНИЕ ЧИСЛА КАППА СУЛЬФАТНОЙ ХВОЙНОЙ ЦВВ НА ЕЕ ВЯЗКОУПРУГИЕ СВОЙСТВА
Предложена методика анализа вязкоупругих свойств полуфабрикатов для производства тарного картона.
Ключевые слова: небеленая сульфатная целлюлоза высокого выхода, число Каппа, напряжение, деформация, вязкоупругие свойства.
В настоящее время для производства тарных картонов рекомендуется использовать целлюлозу высокого выхода (ЦВВ) с числом Каппа в интервале от 70 до 110 ед. [7]. Уровень деформационных и прочностных свойств данного полуфабриката определяет качество тарного картона, а значит, и его стоимость.
При эксплуатации картонной тары в некоторых случаях предъявляются требования к вязкоупругим свойствам материала, используемого при ее изготовлении. При эксплуатации материалов с различной структурой и деформационными свойствами условия потери устойчивости в сильной степени зависят от характера деформирования, который в свою очередь обусловлен вязкоупругими свойствами. Отметим, что если при нагружении материала в нем при любой нагрузке наряду с мгновенными упругими деформациями развиваются неупругие деформации, величина которых зависит от длительности или скорости приложения нагрузки, то такие материалы называют вязкоупругими. Волокнистые целлюлозно-бумажные материалы обладают свойствами, присущими вязкоупругим материалам [5].
Для изучения вязкоупругих свойств сульфатной хвойной ЦВВ по методике [6] были получены лабораторные образцы полуфабриката с числом Каппа в диапазоне от 76 до 102 ед. После варки образцы подвергали разволокнению в течение 15 мин, а затем промывали. Для сравнения с ними
Таблица 1
Параметры варки и характеристики образцов сульфатной ЦВВ
Параметры варки Характеристики ЦВВ
Температура, Концентрация Число Выход Количество Степень
°С активной щелочи, Каппа ЦВВ, непровара, помола,
г/л (в ед. №20) ЦВВ, ед. % % °ШР
160 45 76 49,3 0,3 21,0
158 45 85 52,0 0,6 20,0
158 40 90 53,9 0,3 18,5
158 40 102 54,2 0,5 20,0
166 40 78* - - 18,5
* Образец ЦВВ, полученный при производственной варке.
был отобран производственный (контрольный) образец ЦВВ с числом Каппа 78 ед., который промывали на лабораторных ситах. В табл. 1 представлены основные параметры варки и некоторые фундаментальные характеристики образцов ЦВВ.
Для проведения физико-механических испытаний были изготовлены лабораторные образцы ЦВВ массой 1 м2 150 г. Для этого ЦВВ размалывали в течение 23 ... 25 мин до степени помола (20 ± 2) °ШР.
При испытании образцов на н растяжение были получены зависимости «усилие - удлинение» и «напряжение - деформация» (рис. 1, 2), обработка которых по методике [13] позволила рассчитать численные значения требуемых характеристик в заданных точках (1, П, В, 2). Рассчитывали: Р - прилагаемое усилие при растяжении образца, Н; А/ - удлинение образца, мм; А - работа деформирования, мДж (А = |0А/р Р А/); с - прилагаемое напряжение, МПа (с = Р/(Ь 5)); е - деформация, % (е = А// /); Е - модуль
упругости, МПа (Е = с/е). вавшейся трещины
Рис. 2. Зависимость «напряжение деформация» (с - е) (см. обозначе ния на рис. 1)
0
Рис. 1. Зависимость «усилие - удлинение» (Р-Д/): 1 - предел упругости; П -начало интенсивного развития пластических деформаций; В - начало быстрого роста трещины; 2 - разрушение материала; (0-1) - упругая зона деформирования; (1 -П) - зона замедленно-упругих деформаций, начальная стадия; (П-В) -то же, конечная стадия; (В-2) - зона предразрушения образца, рост образо-
Таблица 2
Результаты математической обработки зависимостей «усилие - удлинение» и «напряжение - деформация», полученных при испытании образцов сульфатной хвойной ЦВВ с различным числом Каппа
Фундаментальные Значение характеристики в точках зави-
Число параметры Характеристика симостей, приведенных
Каппа, образцов на рис. 1, 2
ед. мм МКФ, % 1 сБ5 МПа 1 П В 2
Р, н 53,3 151,0 209,0 222,0
Д/, мм 0,383 1,440 2,810 3,190
76 2,27 11,8 2,4 А, мДж а, МПа 9,4 20,5 126,0 57,9 369,0 80,4 446,0 85,4
Б, % 0,38 1,44 2,81 3,19
Е, МПа 5440 2210 1360 1290
Р, Н 42,2 147,0 188,0 197,0
Д/, мм 0,298 1,510 2,690 3,050
85 2,48 9,40 2,1 А, мДж а, МПа 5,3 14,7 127,0 51,3 326,0 65,6 392,0 68,8
Б, % 0,30 1,51 2,69 3,05
Е, МПа 5010 1610 972 867
Р, Н 31,6 137,0 183,0 199,0
Д/, мм 0,247 1,520 2,810 3,370
90 2,31 11,5 2,0 А, мДж а, МПа 3,4 11,4 123,0 49,4 325,0 66,1 427,0 71,7
Б, % 0,25 1,52 2,81 3,37
Е, МПа 4660 1690 1080 966
Р, Н 54,9 141,0 185,0 195,0
Д/, мм 0,422 1,430 2,530 2,840
102 2,40 8,17 2,4 А, мДж а, МПа 10,0 20,2 116,0 52,0 291,0 68,3 348,0 71,9
Б, % 0,42 1,43 2,53 2,84
Е, МПа 4840 1970 1200 1130
Р, Н 41,9 139,0 177,0 191,0
Д/, мм 0,318 1,370 2,270 2,710
78* 2,17 12,7 2,2 А, мДж а, МПа 6,1 15,6 109,0 51,5 247,0 65,6 325,0 70,8
Б, % 0,31 1,37 2,27 2,71
Е, МПа 5010 2030 1290 1150
* Образец ЦВВ, полученный при производственной варке.
Влияние числа Каппа сульфатной хвойной ЦВВ на относительный вклад этих характеристик в усилие, удлинение и работу разрушения, затрачиваемых в различных зонах деформирования образца, представлено в табл. 2 и на рис. 3-5.
Показано, что примерно 40 ... 50 % разрушающего усилия затрачивается в начальной стадии замедленно-упругих деформаций, т.е. на процесс извлечения концов волокон, имеющих длину менее критической, из стенок трещин, образующихся из капилляров с достаточно большим диаметром. При увеличении нагрузки деформация, а значит, и длина участвующих в этом процессе волокон увеличивается. При этом частично разрушаются межволоконные связи. Раскрытие начинающей образовываться трещины сдерживается «проросшими» через нее волокнами с длиной больше критической, т.е. появляются образования типа «крейзы», а микрокапилляры увеличивают свой объем [4].
У образцов с числом Каппа 85 ... 90 ед. деформация наибольшая.
Наибольшее удлинение испытуемого образца отмечено в зоне замедленно-упругих деформаций (1-В). При этом удлинение в конечной стадии замедленно-упругих деформаций (П-В) несколько выше, чем в начальной (1-П). Это объясняется ростом доли пластических деформаций, вызываемых более значительным разрушением межволоконных связей, обусловленных отрывом от края трещины концов волокон с длиной, приближающейся к критической.
78* 85 90 Число Каппа, ед. Рис. 3. Влияние степени делигнификации сульфатной хвойной ЦВВ на относительный вклад в разрушающее усилие усилий, затрачиваемых в различных зонах деформированного состояния образца (Р - усилие; 100 % соответствует разрушающему усилию данного образца; * - производственный образец): □ - зона предразрушения образца, рост образовавшейся трещины; □ - замедленно-упругая зона деформирования, конечная стадия; □ - то же, начальная стадия; □ - упругая зона деформирования
Рис. 4. Влияние степени делигнификации сульфатной хвойной ЦВВ на относительный вклад в удлинение разрушения удлинений, наблюдаемых в различных зонах деформированного состояния образца (Д/ - удлинение; 100 % соответствует удлинению до разрушения данного образца; см. обозначения на рис. 3)
Рис. 5. Влияние степени делигнифика-ции сульфатной хвойной ЦВВ на относительный вклад в работу разрушения работы, совершаемой в различных зонах деформированного состояния образца (А - работа растяжения; 100 % соответствует работе разрушения данного образца; см. обозначения на рис. 3)
Рис. 6. Влияние степени делигнификации сульфатной хвойной ЦВВ на растягивающее усилие (а), удлинение (б) и работу (в) в различных зонах деформирования образца (• - производственный образец; см. обозначения на рис. 1)
Из рис. 6 следует, что с увеличением числа Каппа у исследуемых образцов ЦВВ величина усилия Р, вызванного им удлинения А! и обусловленная ими работа в критических точках (начало интенсивного развития пластических деформаций (П), начало быстрого роста трещины (В) и разрушения материала (2) снижаются. Аномально возрастают усилия в точке, соответствующей пределу упругости при числе Каппа 102 ед. Данный факт можно объяснить тем, что в этом случае увеличивается количество как остаточного лигнина, так и гемицеллюлоз, способствующих возрастанию межволоконных связей, что должно приводить к повышению упругих свойств.
В зоне деформирования до критической точки П, которая является предпочтительной для использования тары, изменение содержания остаточного лигнина в исследуемых пределах не приводит к изменению усилия, удлинения и работы деформирования. Заметное снижение этих показателей при увеличении числа Каппа у ЦВВ наблюдается в зоне разрушения структуры данного материала. Работа, затрачиваемая на рост трещины в материале, снижается примерно на 20 % (рис. 7). Это позволяет предположить возможный рост обрывности на карто-ноделательной машине при использовании ЦВВ с повышенным числом Каппа.
Удлинения образца в упругой зоне и зоне быстрого роста трещины сравнимы. При увеличении числа Каппа проявляется тенденция к снижению относительной величины
Рис. 7. Влияние степени де-лигнификации сульфатной хвойной ЦВВ на работу, затрачиваемую на рост трещины в стадии разрушения образца (• - производствен-
ный образец)
этих деформаций. Наибольший вклад в работу разрушения вносит работа, затрачиваемая на деформацию в зоне (П-В), причем с увеличением числа Каппа проявляется тенденция к ее снижению.
Отметим, что испытания контрольного (производственного) образца показали воспроизводимость в лабораторных условиях свойств данного полуфабриката.
Таким образом, проведенный эксперимент выявил, что повышение числа Каппа сульфатной хвойной ЦВВ до 90 ед. и более приводит к сниже-
нию разрушающего усилия, удлинения до разрушения и работы разрушения и возрастанию удлинения в упругой зоне деформирования.
Установлен относительный вклад в вязкоупругие свойства сульфатной хвойной ЦВВ прикладываемого усилия и удлинения образца в различных зонах деформирования. Показана возможность более глубокого анализа вязкоупругих свойств полуфабрикатов для производства тарных картонов с помощью предложенной методики.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Казаков, Я.В. Анализ механического поведения целлюлозно-бумажных материалов при приложении растягивающей нагрузки [Текст] / Я.В. Казаков, В.И. Комаров // Лесн. вестник. - 2000. - № 3 (12). - С. 52-62.
2. Казаков, Я.В. Математическая обработка кривых зависимости «напряжение - деформация», полученных при испытании целлюлозно-бумажных материалов при растяжении [Текст] / Я.В. Казаков, В.И. Комаров // Лесн. журн. - 1995. - № 1. -С. 109-114. - (Изв. высш. учеб. заведений).
3. Комаров, В.И. Деформация и разрушение волокнистых целлюлозно-бумажных материалов [Текст] / В.И. Комаров. - Архангельск: Издательство АГТУ, 2002. - 440 с.
4. Комаров, В.И. Механизм разрушения целлюлозно-бумажных материалов [Текст] / В.И. Комаров // Лесн. журн. - 1999. - № 4. - С. 96-103.
5. Комаров, В.И. Механика деформирования целлюлозных тароупаковоч-ных материалов [Текст] / В.И. Комаров, А.В. Гурьев, В.П. Елькин. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2002. - С. 145-150.
6. Холмова, М.А. Взаимосвязь числа Каппа и физико-механических свойств сульфатной ЦВВ, предназначенной для производства тарного картона [Текст] / М.А. Холмова, В.И. Комаров, Л.А. Миловидова, А.В. Гурьев // Целлюлоза. Бумага. Картон. - 2005. - № 10. - С. 56-59.
7. Neimo, L. Papermaking science and technology [Text] / L. Neimo // Papermaking Chemistry (4 book). - Printed by Gumerus Printing, Iyvaskyla, Finland, 1999. - 329 p.
Поступила 3.04.06
Архангельский государственный технический университет
V.I. Komarov, M.A. Kholmova
Influence of Kappa Number of High-Yield Sulphate Softwood Pulp on its Viscous-elastic Characteristics
The technique for analysis of viscous-elastic properties of semifinished items for сontainerboard is offered.
