CC BY
34
УДК 676.16
ВЛИЯНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ ВОЛОКОН СУЛЬФАТНОЙ ХВОЙНОЙ ЦВВ С РАЗЛИЧНЫМ ЧИСЛОМ КАППА НА СВОЙСТВА ПОЛУФАБРИКАТА
© М.А. Холмова , А.В. Гурьев, В.И. Комаров
Архангельский государственный технический университет, Набережная Северной Двины, 17, Архангельск (Россия) E-mail: gural@agtu.ru
Предложен новый подход к оценке свойств сульфатной хвойной ЦВВ, при котором полуфабрикат рассматривается как смесь двух видов волокон. Показано, что для оптимизации характеристик деформативности или прочности тарного картона необходимо применение фракционирования сульфатной ЦВВ перед размолом с последующим избирательным размолом различных фракций ЦВВ.
Введение
Сульфатная целлюлоза высокого выхода, используемая в композиции тарного картона, представляет собой смесь двух видов волокон, которые обусловливают ее физико-механические свойства. Во-первых, это свободно отделяемое волокно (СОВ), которое образуется в основном в результате гидродинамического воздействия на полученную после варки массу при ее выдувке. Во-вторых, это принудительно разделяемое волокно (ПРВ), получаемое при дополнительном внешнем механическом воздействии в ходе горячего размола. Соотношение этих двух видов волокон зависит от условий варки и размеров щепы. Нестабильность качества щепы приводит к нарушению однородности делигнификации и вариации характеристик целлюлозного полуфабриката [1]. В настоящее время еще не разработана теория, позволяющая установить количественную связь между физико-механическими свойствами отдельных целлюлозных волокнистых полуфабрикатов и механическим поведением материала, приготовленного из их смеси [2-4], что свидетельствует об актуальности данного исследования.
Ранее нами было проведено исследование свойств волокон СОВ и ПРВ, полученных в производственных условиях, а также смесей с различным относительным содержанием волокон ПРВ в композиции полуфабриката, применяемого для производства тарного картона. Однако в работе [5] не было исследовано влияние степени помола (волокна СОВ и ПРВ размалывались до 20±2 °ШР) на деформационные и прочностные свойства полуфабриката.
Экспериментальная часть
Для исследования влияния степени помола и числа Каппа волокон СОВ и ПРВ сульфатной хвойной целлюлозы высокого выхода и относительного содержания ПРВ в композиции полуфабриката, используемого для производства тарного картона, в лабораторных условиях был проведен эксперимент с использованием методов математического планирования. В качестве модели был принят униформ-рототабельный композиционный план второго порядка [6, 7]. Уровни варьирования факторов эксперимента приведены в таблице 1.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Таблица 1. Уровни варьирования факторов эксперимента
Факторы Смесь №1 Смесь №2
СПС05; °ШР СПЛРВ, °ШР Относительное содержание ПРВ, % СПСОВ, °ШР СПЯРВ, °ШР Относительное содержание ПРВ, %
Обозначение фактора XI Х2 Х3 Хі Х2 Хз
Основной уровень (0) 26 24 50 24 24 50
Шаг варьирования 12 11 29,7 11 11 29,7
Верхний уровень (+1) 32 30 79,7 30 30 79,7
Нижний уровень (-1) 20 18 20,3 18 18 20,3
Звездное плечо (а=2,0) 24 22 59,4 22 22 59,4
Максимум (-а) 36 34 100 34 34 100
Минимум (-а) 16 14 0 14 14 0
Для исследования свойств смесей были получены три фракции волокон. Для получения СОВ и ПРВ с числом Каппа 75 и 100 ед. соответственно проведены лабораторные варки при температуре 162 °С, концентрации активной щелочи 45 г/л (в ед. №20) и гидромодуле 4. В результате промывки целлюлозной массы на сцежах было получено СОВ. Оставшаяся в сцеже неразволокненная масса разделялась на волокна в центробежном размалывающем аппарате (ЦРА) при концентрации 6% и температуре 80 °С в течение 15 мин. При ее промывке получено ПРВ. Волокна СОВ с числом Каппа 30 ед. были получены при промывке производственной массы.
Исследование свойств двух видов смесей ЦВВ (смесь №1 состоит из СОВ и ПРВ с числом Каппа 30 и 100 ед. соответственно; смесь №2 состоит из СОВ и ПРВ с числом Каппа 75 и 100 ед. соответственно) с различным относительным содержанием ПРВ проводили на лабораторных образцах массой 1 м2 150 г. В качестве выходных параметров приняты и определены бумагообразующие свойства (средневзвешенная длина волокна (V), относительное содержание волокон мелкой фракции (МКФ - массовая доля волокон длиной меньше 1,2 мм), межволоконные силы связи по методу Иванова (Рсв) и плотность структуры (р)) и физикомеханические характеристики прочности и жесткости полуфабриката, в композиции которого содержится от 0 до 100% ПРВ (табл. 2 и 3). Прочность образцов оценивали с помощью сопротивления продавливанию (П), разрывной длины (Ь) и разрушающего усилия при сжатии кольца (ЯСТ). В качестве характеристик жесткости образцов были использованы сопротивление сжатию короткого участка образца (БСТ), жесткость при растяжении (Б,) и изгибе (Б*). Бумагообразующие свойства и физико-механические показатели образцов сульфатной хвойной ЦВВ представлены в таблицах 2 и 3.
Таблица 2. Бумагообразующие и физико-механические свойства лабораторных образцов сульфатной хвойной ЦВВ (смесь №1)
№ Факторы варьирования Физико-механические характеристики Бумагообразующие свойства
СПСОВ, 0ШР СПЛРВ, 0ШР ПРВ, % прочность жесткость
П, кПа Ь, м ЯСТ, Н 8 Н , Б*, Нм Б,, Н/м Р, г/см3 1^ мм МКФ, % Рсв, МПа
1 32 30 79,7 1059 8760 385 5,78 2,96 1020 0,751 2,36 11,7 1,08
2 20 30 79,7 1020 8290 353 5,89 3,15 953 0,783 2,16 10,6 1,42
3 32 18 79,7 1016 7990 352 5,57 2,38 997 0,761 2,26 11,3 1,19
4 20 18 79,7 997 8290 413 5,58 1,73 987 0,811 1,88 19,6 1,87
5 32 30 20,3 1026 6860 300 5,55 3,62 971 0,732 2,52 7,50 1,39
6 20 30 20,3 1001 7680 362 5,52 2,11 916 0,741 2,45 9,68 1,32
7 32 18 20,3 988 7800 391 5,61 2,19 944 0,785 2,61 6,97 1,37
8 20 18 20,3 1038 8200 345 5,85 3,17 921 0,760 3,05 2,47 0,89
9 36 24 50 974 8700 353 5,36 3,94 1000 0,726 2,75 3,75 1,26
10 20 24 50 1163 8770 382 5,87 3,37 1030 0,796 2,14 13,97 1,76
11 26 34 50 916 7840 356 4,97 3,69 968 0,673 2,66 3,51 1,14
12 26 14 50 1086 8440 370 5,87 3,04 981 0,772 1,79 23,7 1,84
13 26 24 100 1071 9140 400 6,21 3,41 1080 0,809 2,09 11,3 1,56
14 26 24 0 966 8029 364 5,67 3,37 1010 0,758 2,31 7,31 1,56
15 26 24 50 959 7680 368 5,60 2,21 1020 0,755 2,80 3,94 1,22
16 26 24 50 1030 7750 389 5,83 1,98 952 0,773 1,87 22,26 1,60
17 26 24 50 1063 9660 396 5,77 3,23 1050 0,792 2,85 3,76 1,81
18 26 24 50 1047 9320 352 5,68 3,19 987 0,788 2,41 7,75 1,52
19 26 24 50 1073 8110 375 5,61 3,30 1020 0,752 2,81 3,79 1,41
20 26 24 50 1090 6590 386 5,91 2,21 1010 0,788 2,73 3,96 1,14
Таблица 3. Бумагообразующие и физико-механические свойства лабораторных образцов сульфатной хвойной ЦВВ (смесь №2)
№ Факторы варьирования Физико-механические характеристики Бумагообразующие свойства
СПсОБ; °ШР СППРВ-, °ШР ПРВ, % прочность жесткость
П, кПа ь, м яст, Н БОТ, Н Бь Нм Н/м Р, г/см3 1»^ мм МКФ, % Рсв, МПа
1 30 30 79,7 970 8280 345 5,73 3,12 1080 0,772 2,13 14,6 1,79
2 18 30 79,7 1040 8294 392 5,78 3,08 1060 0,766 2,27 9,82 1,89
3 30 18 79,7 932 8100 361 5,54 3,76 1090 0,733 2,36 6,72 1,73
4 18 18 79,7 942 9260 359 5,32 3,95 1070 0,734 2,32 8,25 1,68
5 30 30 20,3 928 8650 465 5,79 2,88 1090 0,759 2,33 7,93 1,81
6 18 30 20,3 979 10100 351 5,94 3,44 1090 0,767 1,98 15,5 1,39
7 30 18 20,3 979 10000 363 5,80 3,42 1110 0,771 2,60 6,74 1,76
8 18 18 20,3 922 9420 349 5,42 3,31 1120 0,704 2,48 7,83 1,66
9 34 24 50 1010 8440 360 5,91 3,01 1110 0,768 2,70 3,70 1,88
10 14 24 50 803 7570 331 4,97 4,11 970 0,643 2,74 3,30 1,24
11 24 34 50 1030 8260 384 5,88 3,59 1110 0,746 2,33 8,29 2,10
12 24 14 50 820 8080 376 4,92 3,67 1040 0,680 2,58 3,87 1,22
13 24 24 100 966 8030 364 5,67 3,37 1010 0,758 2,31 7,31 1,56
14 24 24 0 702 10000 371 5,45 3,50 1040 0,760 2,35 11,2 1,95
15 24 24 50 907 7800 367 5,87 3,51 1150 0,749 2,14 12,6 1,83
16 24 24 50 1040 9430 352 5,74 3,20 1110 0,763 2,58 5,59 2,02
17 24 24 50 937 8820 372 5,42 3,26 1060 0,746 2,64 4,76 1,63
18 24 24 50 970 9290 380 5,74 3,22 1140 0,808 2,40 10,5 1,69
19 24 24 50 977 8830 358 5,77 3,33 1120 0,773 2,35 9,35 1,73
20 24 24 50 972 9340 363 5,81 3,73 1150 0,777 2,35 10,7 1,65
Для математической обработки результатов проведенного эксперимента был использован комплекс программ для ЭВМ, включающий в себя: расчеты величин коэффициентов уравнений регрессии и оценку значимости коэффициентов по критерию Стъюдента; проверку адекватности полученной модели по критерию Фишера (Vрасч) для 5% уровня значимости (при этом в полученную модель последовательно включали незначимые, но близкие к пределу значимости коэффициенты с максимальной абсолютной величиной, оставляя их, если расчетное значение критерия Фишера уменьшалось); расчет значений факторов, при которых обеспечиваются максимальные значения аппроксимирующего полинома в области варьирования факторов; расчет данных для построения поверхностей отклика при попарном изменении двух факторов и фиксировании остальных на задаваемом уровне; расчет по уравнениям регрессии величин всех выходных параметров при задаваемых значениях факторов.
Таблица 4. Коэффициенты уравнения регрессии для бумагообразующих и физико-механических свойств лабораторных образцов сульфатной хвойной ЦВВ (смесь №1)
Коэффици- енты Физико-механические характеристики Бумагообразующие свойства
прочность жесткость
, а П, П к Н о , ь, м БОТ, Н Н/м Б*, м Р, г/см3 мм МКФ, % Рсв, МПа
Ьо 1043 377 8191 5,73 1006 2,71 0,773 2,43 8,32 1,46
Ь1 20,7 6,87 85,5 0,087 -7,91 -0,143 0,013 -0,040 1,60 0,096
Ь2 16,1 8,99 124 0,101 0,973 -0,254 0,020 -0,136 2,58 0,094
Ьз Ь12 -15,8 -12,2 -341 -0,088 -19,1 0,059 -0,013 0,120 -1,85 -0,043
Ь1з Ь23 - - - 0,114 - - - - - -
Ьц 6,97 -5,05 87,6 -0,037 -7,41 0,163 -0,002 0,016 -0,109 -0,022
Ь22 -16,9 -6,64 -123 -0,106 -21,9 0,061 -0,016 -0,062 1,57 -0,029
Ьзз -10,7 0,126 34,3 0,078 7,43 0,070 0,006 -0,126 0,178 -0,005
К мн. корр. 0,582 0,638 0,461 0,789 0,669 0,473 0,865 0,531 0,541 0,456
^ табл. 4,74 4,74 4,74 4,82 4,74 4,74 4,74 4,74 4,74 4,74
V расч. 1,69 2,82 0,193 3,50 1,45 1,49 1,40 0,857 0,650 1,63
Таблица 5. Коэффициенты уравнения регрессии для бумагообразующих и физико-механических свойств лабораторных образцов сульфатной хвойной ЦВВ (смесь №2)
Коэффици- енты Физико -механические характеристики Бумагообразующие свойства
прочность жесткость
П, кПа ЯСТ, Н ь, м БСТ, Н Н/м Б*, Нм Р, г/см3 мм МКФ, % Рсв, МПа
Ьо 963 364 8888 5,71 1119 3,38 0,767 2,42 8,79 1,76
Ь1 20,1 6,279 -43,3 0,145 19,4 -0,179 0,02 0,023 -0,351 0,114
Ь2 36,3 6,48 -84,2 0,203 3,49 -0,15 0,017 -0,107 1,88 0,113
Ьз 38,1 -2,69 -551 -0,015 -8,05 0,047 0 -0,029 -0,381 -0,013
Ь12 - 12,13 - - - - - - - -
Ь1з - -27,4 - - - - - - - -
Ь23 - -16,6 - - - - - - - -
Ьп -4,7 -3,8 -184 -0,054 -19,8 0,028 -0,016 0,069 -1,16 -0,058
Ь22 1,84 8,4 -125 -0,068 -7,39 0,053 -0,014 -0,026 -0,25 -0,021
Ьзз -30,3 3,98 173 -0,011 -19,8 -0,016 0,002 -0,07 0,872 0,013
Кмн. корр. 0,665 0,904 0,706 0,775 0,718 0,668 0,643 0,803 0,468 0,676
^ табл. 4,74 5,05 4,74 4,74 4,74 4,74 4,74 4,74 4,74 4,74
V расч. 4,09 4,46 1,29 2,73 1,51 2,42 2,81 1,74 0,91 0,92
Обсуждение результатов
Математическая модель, используемая на основе результатов, полученных при реализации униформ-ротатабельного композиционного плана второго порядка для трех факторов имеет вид:
¥ = Ьо + ЬгХ1 + Ь2*Х2 + Ьз-Хз + Ь12*Х1*Х2 + Ь13-Х1-Х3 + Ь23*Х2*Хз + Ьц*Х1 + Ь22'^2 + Ьзз’Хз .
Характер влияния степени помола СОВ и ПРВ и относительное содержание ПРВ на прочность, жесткость и бумагообразующие свойства целлюлозы оценивали, используя полученные уравнения регрессии в кодированной форме в качестве модели.
Анализируя величины коэффициентов уравнения регрессии (табл. 4 и 5), можно отметить, что увеличение степени помола СОВ и ПРВ приводит к росту прочности (за исключением разрывной длины - смесь №1), улучшается разработка поверхности, и, как следствие, увеличиваются силы связи между волокнами (коэффициенты при х1 и х2 положительны), что приводит к снижению жесткости при изгибе. Отрицательные значения в большинстве случаев значимых коэффициентов при х3 свидетельствуют о снижении прочности (за исключением сопротивления продавливанию - смесь №1) и бумагообразующих свойств с ростом относительного содержания ПРВ в композиции полуфабриката. Необходимо отметить, что применение целлюлозы с низким числом Каппа приводит к увеличению жесткости с ростом относительного содержания ПРВ в композиции полуфабриката.
Смена знака коэффициентов при квадратичных эффектах при х1, х2 и х3 свидетельствует о том, что на поверхности отклика имеется максимум или минимум этих характеристик. Отсутствие значимых коэффициентов парных взаимодействий (за исключением разрушающего усилия при сжатии кольца - 1) свидетельствует о том, что существенного совместного влияния варьируемых факторов на свойства полуфабриката не было обнаружено. Для демонстрации вышеизложенного, используя полученные уравнения регрессии, рассчитывались поверхности, отражающие совместное влияние двух факторов при фиксации третьего. Фиксация степени помола волокон проводилась на минимуме, а относительной доли волокон ПРВ - на основном уровне. Такие поверхности приведены на рисунках 1-4.
Анализируя полученные зависимости (рис. 1-4), для достижения максимальной прочности и деформа-тивности полуфабриката следует использовать различные режимы обработки волокон сульфатной хвойной ЦВВ, представленные в таблицах 6 и 7.
26
СПсов," ШР
П, кПа
П, кПа 950 / /
1100 900 / А
1050 850 /
1000 800 /
950 750 /
900 700
850 34
Спсов
П, кПа
80
40 ПРВ, %
80 ПРВ, %
СПпрв, ШР
а)
8СТ, Н
5.50 5,25 5,00 4,75
4.50
в)
8СТ, Н
6,00
СПсов, ШР
80
40
0 ПРВ, %
80 40
ПРВ, %
г)
Рис. 1. Влияние степени помола СОВ (с числом Каппа 75 ед.) и ПРВ и относительного содержания ПРВ в композиции полуфабриката на сопротивление продавливанию (а, б, в) и сопротивление сжатию короткого участка образца (г, д, е)
4.25
4.00
3.75 3,50
3.25
3.00
2.75 34
8Ь, Нм
4.25
4.00 3,75 3,50
3.25
3.00
30
°ШР
СПпрв, ШР
80 40
ПРВ, %
32
20
СПсов, °ТТТР
№в, МПа
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
30
22 СПпрв, °ШР
32
СПсов, ШР
8Ь, Нм
4.25 4,00 3,75 3,50
3.25
22
СПпрв , °ШР
80
40
0 ПРВ, %
в)
№в, МПа
1,80
1,60
1,40
1,20
1,00
0,80
14
СПпрв , ШР
80
%
г)
д)
е)
Рис. 2. Влияние степени помола СОВ (с числом Каппа 75 ед.) и ПРВ и относительного содержания ПРВ в композиции полуфабриката на жесткость при изгибе (а, б, в) и межволоконные силы связи по методу Иванова (г, д, е).
30
14
ЧЬ. Нм
34
0
П, кПа
1100
1000
900
800
СПсов, ШР
п, кПа
1200 1100 1000 900 800
26
СПпрв , ШР
40
ПРВ, %
а)
чст, н
6.25 6,00 5,75 5,50
5.25
П кПа
1100
1050
1000
950
900
40
ПРВ, %
СПс
в)
ЧСТ, Н
6.50 6,00
5.50 5,00
4.50
40
80 ПРВ, %
СПсов, ШР
40
ПРВ, %
34
34
г)
д)
е)
Рис. 3. Влияние степени помола СОВ (с числом Каппа 30 ед.) и ПРВ и относительного содержания ПРВ в композиции полуфабриката на сопротивление продавливанию (а, б, в) и сопротивление сжатию короткого участка образца (г, д, е)
ЧЬ, Нм
СПсов
22
°
СПпрв, °ШР
30
СПсов, ШР
40 ПРВ, %
СПпрв, ШР
40 ПРВ, %
б)
в)
34
Рев,МПа
1,8
,6
4
,2
,0
8
сч СПпрв, ШР
г)
д)
е)
Рис. 4. Влияние степени помола СОВ (с числом Каппа 30 ед.) и ПРВ и относительного содержания ПРВ в композиции полуфабриката на жесткость при изгибе (а, б, в) и межволоконные силы связи по методу Иванова (г, д, е)
0
0
14
0
0
34
34
34
Таблица 6. Параметры, необходимые для достижения максимальных в данных условиях прочности, жесткости и бумагообразующих свойств сульфатной хвойной небеленой ЦВВ (смесь №1)
Характеристики Параметры
СПсов, °ШР СПпрв, °ШР Относительное содержание ПРВ, %
П, кПа 18-22 14-20 Не менее 60
БОТ, Н Не менее 20 14-28 Не более 20
БЬ, Нм 18-34 32-34 Не более 20
Гея, МПа 14-22 14-24 Не менее 60
Таблица 7. Параметры, необходимые для достижения максимальных в данных условиях прочности, жесткости и бумагообразующих свойств сульфатной хвойной небеленой ЦВВ (смесь №2)
Характеристики Параметры
СПеш, °ШР СПдод, °ШР Относительное содержание ПРВ, %
П, кПа 26-34 28-34 60-80
БОТ, Н 28-34 28-34 *
м ,Н 14-18 14-18 Не менее 40
ГС5, МПа 26-34 30-34 Не более 20
* - не оказывает существенного влияния.
Выводы
Проведенный эксперимент позволяет сделать следующие выводы:
1) оптимизация характеристик деформативности или прочности тарного картона привела к необходимости фракционирования сульфатной ЦВВ перед размолом с последующим избирательным размолом различных фракций ЦВВ. Волокна сульфатной ЦВВ с большим числом Каппа требуют размола до меньших величин степени помола;
2) увеличение варьируемых параметров не приводит к однозначной оценке свойств полуфабриката: для получения полуфабриката с высокими прочностными характеристиками необходимо использовать в его композиции СОВ с пониженными значениями числа Каппа; для повышения жесткости и бумагообразующих свойств полуфабриката - с повышенными значениями числа Каппа, что объясняется различной физической природой характеристик жесткости и прочности.
Список литературы
1. Казаков Я.В. Деформативность и прочность сульфатной целлюлозы: Дис. ... канд. техн. наук. Архангельск, 1998. 167 с.
2. Комаров В.И. Деформация и разрушение волокнистых целлюлозно-бумажных материалов. Архангельск, 2002. 440 с.
3. Кулезнев В.Н. Смеси полимеров. М., 1980. 304 с.
4. Тагер А.А. Физикохимия полимеров. М., 1978. 544 с.
5. Холмова М.А., Комаров В.И., Гурьев А.В. Влияние соотношения свободно отделяемого и принудительно разделяемого волокон при разволокнении после варки сульфатной хвойной ЦВВ на свойства полуфабриката // Известия вузов. Лесной журнал. 2007. №3. (в печ.)
6. Пен Р.З. Планирование эксперимента в Б1а£гарЫс8. Красноярск, 2003. 246 с.
7. Богданович Н.И. Расчеты в планировании эксперимента. Л., 1978. 80 с.
Поступило в редакцию 18 апреля 2007 г.
После переработки 18 октября 2007 г.
