CC BY
15
УДК 676.0
В.И. Комаров1, Л.А. Блинова2, В.А. Спиридонов3
1 Архангельский государственный технический университет 2ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика» 3ООО УК «Объединенные бумажные фабрики»
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, член международного научного общества EUROMECH. Имеет более 400 печатных работ в области исследования свойств дефор-мативности и прочности целлюлозно-бумажных материалов. Тел.: (8182) 21-61-82
Блинова Людмила Александровна родилась в 1982 г., окончила в 2004 г. Архангельский государственный технический университет, аспирант кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства АГТУ, инженер-исследователь технологического отдела ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика». Имеет 8 научных трудов в области переработки вторичного сырья из макулатуры. Тел.: (48434) 3-38-24
Спиридонов Валентин Александрович родился в 1941 г., окончил в 1963 г. Архангельский лесотехнический институт, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Украинского научно-исследовательского института целлюлозно-бумажной промышленности, научный консультант ООО «Управляющая компания «Обьединен-ные бумажные фабрики». Имеет более 100 научных трудов в области техники и технологии картонно-бумажной продукции с использованием макулатуры. Тел.:(1038044) 510-81-67
ВОЗМОЖНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ СИЛЫ ТРЕНИЯ В СТРУКТУРЕ ВОЛОКНИСТЫХ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Предложен способ оценки сил трения между волокнами в структуре бумаги; определен относительный вклад сил трения в межволоконное связеобразование при размоле основных видов технической целлюлозы, используемых в качестве сырья для производства тарного картона.
Ключевые слова: когезия, силы трения, сдвиг, растяжение, модуль упругости, водо-удерживающая способность.
Когезионная способность - одно из фундаментальных свойств растительных волокон в структуре бумаги. Некоторые авторы [6] считают, чтобы определить когезию в плоскости листа бумаги, необходимо найти усилие сдвига. В середине прошлого века были предложены два метода определения силы сцепления волокон в бумаге [4, 5]. ГОСТ [3] предписывает проводить испытание на отрыв. Таким образом, реализованы две схемы приложения нагрузки: на сдвиг или на растяжение.
Известно, что деформация при растяжении в пропорциональна приложенному напряжению с:
в = с / Е,
где Е - коэффициент пропорциональности, носящий название модуля
упругости.
При сдвиге относительная угловая деформация у пропорциональна касательному напряжению т:
У = т / О,
где О - модуль сдвига.
Модуль упругости при сдвиге связан с модулем упругости при растяжении и коэффициентом Пуассона ц следующим уравнением:
О = Е / [2 (1 + ц)].
В пределах упругости Е = 3О, т.е. прочность на растяжение в три раза больше прочности при сдвиге. Следовательно, можно предположить, что величина межволоконных сил связи при испытании на отрыв (на растяжение) [3] должна быть в три раза выше, чем при испытании на сдвиг [4].
В ходе эксперимента использовали образцы трех видов технической целлюлозы, размолотой до различной степени помола.
Испытания показали, что межволоконные силы связи при растяжении значительно ниже, чем при сдвиге . Это противоречит существующим представлениям о прочности. Однако, еще в 1926 г. Стречен выдвинул физическую теорию размола, в которой прочность листа бумаги объяснялась механическим переплетением волокон, т.е. возникающими силами трения. В работе [1] указывалось на необходимость учитывать сухое трение* при рассмотрении межволоконных связей в структуре бумаги.
Нам представляется, что при использовании в процессе испытаний двух методик [3, 4] появляется возможность количественно определить четыре типа взаимодействия между волокнами в структуре бумаги (см. таблицу): во-первых, это межволоконные силы связи ^ [4], которые представляют собой сумму сил трения ¥4 и прочности электростатических сил на сдвиг во-вторых, прочность межволоконных сил связи на растяжение ¥2 [3], которая является суммой водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса; в-третьих, прочность электростатических сил связи на сдвиг которая равна // ¥1; в-четвертых, сила трения между волокнами ^4, которая равна разности между ^ и ^з.
Из данных таблицы следует, что у небеленых видов технической целлюлозы при степени помола до 45 °ШР и приложении к образцу сдвиговых напряжений относительный вклад сил трения в межволоконные связи
* Сухим трением принято называть силы трения, которые не обращаются в нуль, когда относительная скорость между твердыми телами равна нулю.
Характеристики структуры бумаги
Степень Межволоконные силы связи*, МПа Относительный вклад при испытании на сдвиг, % Прочность волокна Водо-удерживающая
Целлюлоза помо- способ-
ла, СТор***, МПа ность
°ШР ^ ^2 ^4 ^ ^4 ¿0**, м WRV, %
Сульфатная 14 0,24 0,02 0,007 0,233 2,9 97,1 4 918 59,7 150,6
ЦВВ 24 1,35 0,17 0,063 1,287 4,7 95,3 9 434 97,6 152,7
34 1,74 0,19 0,063 1,677 3,6 96,4 10 370 112,4 160,1
45 1,83 0,22 0,073 1,757 4,0 96,0 10 959 110,8 157,3
Нейтрально- 14 0,26 0,02 0,007 0,253 2,7 97,3 838 8,27 107,3
сульфитная 25 1,31 0,19 0,063 1,247 4,8 95,2 5 322 57,2 137,3
полуцеллю- 34 1,47 0,18 0,060 1,410 4,1 95,9 5 932 64,3 152,1
лозаНСПЦ 45 1,35 0,17 0,057 1,293 4,3 95,7 6 247 67,1 151,3
Сульфатная 14 0,07 0,04 0,013 0,057 18,6 81,4 2 238 24,6 89,2
беленая 21 0,37 0,21 0,070 0,300 18,9 81,1 4 038 41,7 121,9
лиственная 33 0,66 0,23 0,077 0,583 11,7 88,3 4 604 49,8 134,8
целлюлоза 48 0,67 0,24 0,080 0,590 11,9 88,1 5 504 55,8 152,7
* ^ - межволоконные силы связи по Иванову; - межволокнные силы связи при растяжении; - расчетная величина электростатических сил на сдвиг;
- силы трения между волокнами.
** ¿0 - нулевая разрывная длина. *** стор - нулевое разрушающее напряжение.
составляет 95...97 %, у образцов беленой целлюлозы - 81...88 %, причем при степени помола выше 30 °ШР разница достигает 7 %, в то время как у образцов небеленой целлюлозы она несущественна: около 1.2 %.
б
Влияние водоудерживающей способности WRV на силы трения между волокнами (а) и нулевое разрушающее напряжение (б) сульфатной ЦВВ (1, 1'); НСПЦ (2, 2'); сульфатной беленой лиственной целлюлозы (3, 3'); 1 - R2 = 0,9678; 1' - 0,9430; 2 - 0,9920; 2' - 0,9759; 3 - 0,9118; 3' - 0,9911
Влияние водоудерживающей способности на силы трения между волокнами и нулевое разрушающее напряжение показано на рисунке. В процессе размола полуфабрикатов с различным содержанием лигнина (соответственно с разной способностью к набуханию) относительный вклад сил трения в межволоконные связи различен. Так, при изменении водо-удержания сульфатной ЦВВ на 4 % силы трения изменяются на 87 %, для сульфатной беленой лиственной целлюлозы эти цифры составляют соответственно 42 и 90 %, для НСПЦ - 29 и 80 % при одинаковом изменении степени помола.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бабурин, С.В. Реологические основы процессов целлюлозно-бумажного производства [Текст] / С.В. Бабурин, А.И. Киприанов. - М.: Лесн. пром-сть, 1983. - 192 с.
2. Беркман, Е.М. Словарь целлюлозно-бумажного производства [Текст] / Е.М. Беркман, С.М. Вишневский, Л.О. Иоффе. - М.: Лесн. пром-сть, 1969. - 299 с.
3. ГОСТ 13648.6 Бумага и картон. Методы определения сопротивления расслаиванию [Текст]. - Введ. 01.01.1988. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 7 с.
4. Иванов, С.Н. Силы сцепления волокон в бумаге [Текст] / С.Н. Иванов // Бум. пром-сть. - 1947. - № 3. - С. 8-17.
5. Кларк, Дж. Природа гидратации и связи волокон [Текст] / Дж. Кларк // TAPPI, Tech. Assn. Papers. - 1943. - 26. - Р. 462.
6. Кларк, Дж. Технология целлюлозы [Текст] / Дж. Кларк. - М.: Лесн. пром-сть, 1983. - 456 с.
7. Комаров, В.И. Связь критической длины волокна в структуре и анизотропии свойств крафт-лайнера [Текст] / В.И. Комаров, В.И. Белоглазов // Лесн. журн. - 2005. - № 6. - С. 133-135. - (Изв. высш. учеб. заведений).
8. Фляте, Д.М. Свойства бумаги [Текст] / Д.М. Фляте. - М.: Лесн. пром-сть, 1976. - 648 с.
9. Хайкин, С.Э. Физические основы механики [Текст] / С.Э. Хайкин. - М.: Наука, 1971. - 751с.
Поступила 16.07.09
V.I. Komarov1, L.A. Blinova2, V.A. Spiridonov3
1 Arkhangelsk State Technical University
2 Polotnyanyi Zovod Paper Factory
3 «Consolidated Paper Mills» Management Company
Possibility of Determining Magnitude of Friction Force in Structure of Fiber Pulp-and-Paper Materials
The estimation method of friction forces between fibers in the paper structure is offered. The relative contribution of friction forces into the interfibrillar bond-formation in milling of the main pulp types used as raw material for production of container board is determined.
Keywords: cohesion, friction forces, shift, tension, coefficient of elasticity, water retaining capacity.
