Трещиностойкость — характеристика прочности бумаги и картона

Автор: В. И. Комаров, Е. В. Дьякова, Архангельский государственный технический университет обсудить статью на форуме

Применение теории механики разрушения к бумаге и бумажным структурам достаточно интересно и напрямую связано с проблемами обрывов при прохождении бумажного полотна через транспортную систему печатных и копировальных устройств, обрывов на КДМ и дефектов растрескивания наружных плоских слоев гофрированного картона при рилевке и фальцовке, повреждений при наполнении и транспортировании бумажных мешков и т. д. This article describes new methods of checking the quality of paper and board products, including liner and fluting. Для оценки качества композитных материалов широко используются методы механики разрушения. Ее основополагающие постулаты гласят, что твердые тела всегда имеют дефекты структуры, служащие источниками трещин, и их разрушение является процессом развития трещин под действием приложенных нагрузок. Преимуществом механики разрушения перед традиционными методами оценки качества материала является использование количественных обобщенных критериев, связывающих критическое напряжение разрушения с длиной трещины, т. е. с дефектом структуры, обусловливающим разрушение. Структура бумаги, как и любого другого материала, содержит дефекты, которые являются причиной снижения величины разрушающего напряжения. В первом приближении к дефектам можно отнести трещины кромки полотна, складки кромки полотна, костру и узелки волокон в структуре, которые вызывают трещиноподобные дефекты при натяжении полотна бумаги в процессах прессования, сушки и каландрирования. Одним из важнейших свойств материала, в соответствии с положением механики разрушения, является трещиностойкость — устойчивость к инициированию и росту трещин, случайно образующихся или специально нанесенных. На кафедре технологии ЦБП Архангельского государственного технического университета в течение ряда лет ведется работа по оценке влияния технологических факторов на деформативность и прочность тароупаковочных материалов. Сравнительные данные трещиностойкости картонов-лайнеров массой 150 г/м2 четырех крупнейших отечественных производителей представлены в табл. 1. Табл. 1. Трещиностойкость картона-лайнера различных производителей Характеристика АЦБК КЦБК КБФ СЛПК СЛПК* Направление MD JIC, кДж/м 3290 2230 1750 2960 2880 JICW, кДж·м/г 21,9 14,9 11,7 19,7 19,2 Направление CD JIC, кДж/м 970 890 760 1060 1020 JICW, кДж·м/г 6,5 6,0 5,1 7,1 6,8 Коэффициент анизотропии JIC, кДж/м 3,39 2,51 2,30 2,79 2,82 JICW, кДж·м/г 3,37 2,48 2,29 2,77 2,82 * – картон с белым покровным слоем; АЦБК – Архангельский ЦБК; КЦБК – Котласский ЦБК; КБФ – Караваевская бумажная фабрика; СЛПК – Сыктывкарский ЛПК Трещиностойкость картона зависит от межволоконных сил связи и собственной прочности волокон, используемых в композиции. Известно, что способность вторичных волокон к размолу и образованию межволоконных сил связи ограничена вследствие ороговения их поверхности. Определение собственной прочности волокон (нулевой разрывной длины) показало, что у картона Караваевской бумажной фабрики, производимого из макулатурных волокон, эта характеристика в среднем на 30% ниже, чем у крафт-лайнера, вырабатываемого на АЦБК. Поэтому объяснимым является факт, что самую низкую трещиностойкость как в машинном, так и в поперечном машинному направлении имеет картон, изготовленный из макулатуры (КБФ), а самую высокую — из хвойной сульфатной целлюлозы высокого выхода с содержанием лиственной полуцеллюлозы в композиции массы до 20% (АЦБК). Трещиностойкость Сыктывкарского картона в машинном направлении уступает только картону АЦБК, а в направлении, поперечном машинному, имеет наибольшие значения. Определяющей особенностью технологии производства картона, организованного на СЛПК, является использование в композиции небеленой и беленой сульфатной лиственной и хвойной целлюлозы нормального выхода. Испытания картонов различных производителей показали, что картон с повышенными характеристиками жесткости должен обладать и соответствующим уровнем трещиностойкости для снижения обрывов при производстве на машине, а также во избежание растрескивания в процессах рилевки и биговки. Рекомендуемый уровень трещиностойкости картона с различной массой 1 м2 представлен в табл. 2. Табл. 2. Рекомендуемый уровень значений трещиностойкости для крафт-лайнера Масса 1 м2, г JIC, кДж/м MD CD 125 2500–2800 800–900 140 2900–3200 900–1000 150 3000–3300 1000–1200 175 4500–5000 1100–1300 200 5000–5500 1600–1800 Наиболее простым способом придания гофрокартону требуемой жесткости является увеличение массы 1 м2 картона для плоских слоев. Однако возможность его использования ограничена, с одной стороны, увеличением расхода полуфабрикатов, а с другой — наличием верхнего предела массы 1 м2, который регламентируется затруднениями при рилевании гофрокартона и появлением трещин по линиям рилевки при сгибании. Помимо этого в последнее время наметилась тенденция к производству бумаги и картона пониженной массы 1 м2, в том числе и тарного картона. Однако при этом следует учитывать нагрузки, испытываемые гофрированным картоном при эксплуатации. В противном случае снижение массы 1 м2 может привести к нежелательным воздействиям на упаковываемую продукцию при ее транспортировке и хранении. Степень анизотропии структуры материала в сильной степени влияет на трещиностойкость. Для оценки влияния анизотропии структуры на трещиностойкость картона испытывались образцы крафт-лайнера Архангельского ЦБК массой 1 м2 125, 150 и 175 г, вырезанные для испытаний под разными углами относительно машинного направления полотна (табл. 3). Табл. 3. Влияние анизотропии на трещиностойкость крафт-лайнера Масса 1 м2, г Угол вырезки, ° JIC, кДж/м К JICW, кДж·м/г 125 MD 2160 3,9 17,28 15 1995 2,6 15,96 30 1672 1,8 13,38 45 1165 1,1 9,32 60 1085 0,6 8,68 75 904 0,3 7,23 CD 373 0,3 2,99 150 MD 2392 3,7 15,95 15 3169 2,8 21,13 30 2265 2,0 15,10 45 1974 1,0 13,17 60 1626 0,6 10,85 75 1402 0,4 9,35 CD 447 0,3 2,98 175 MD 2499 3,5 14,28 15 3858 2,5 22,05 30 2997 1,7 17,13 45 2227 1,0 12,73 60 1962 0,6 11,22 75 1750 0,4 10,00 CD 495 0,3 2,83 Коэффициент анизотропии К может быть вычислен как отношение величины характеристики, определенной в заданном направлении (MD или под заданным углом к MD), к величине трансверсальной характеристики по отношению к заданному направлению: K=Yi/Yi+90° где Y — заданная характеристика; i — угол по отношению к направлению MD; (i+90°) — направление испытания трансверсального образца. Данные табл. 3 подтверждают теоретические представления о снижении механических свойств бумаги и картона при увеличении отклонения угла вырезки образцов от машинного направления, вне зависимости от массы 1 м2. Известно, что плоские слои гофрированного картона в процессе эксплуатации ящиков подвергаются большим деформациям в поперечном направлении, что объясняется условиями его получения на гофроагрегате. Поэтому производителям картона-лайнера необходимо стремиться к снижению анизотропии материала. В последнее время в бумажной промышленности наблюдается устойчивая тенденция роста потребления вторичного волокнистого материала (макулатуры) для производства гофрокартона. Вторичный волокнистый материал является крайне неоднородной полидисперсной системой, состоящей из волокон с различной длиной и толщиной, полученных различными способами из различных пород древесины. Предлагается бумажную массу, полученную из вторичного материала, условно делить на коротковолокнистую и длинноволокнистую фракции. Длинноволокнистая фракция характеризуется заметно большей средней длиной волокна, низкой степенью помола и потенциально высокими прочностными свойствами. Коротковолокнистая фракция представляет собой обрывки и фрагменты сильно ороговевших волокон, которые характеризуются высокой степенью помола, невысокой средней длиной, недостаточными бумагообразующими свойствами и особой способностью к укорочению в процессе размола вследствие повышенной хрупкости. Совместный размол коротко- и длинноволокнистой фракций приводит к еще большему измельчению коротких и недостаточной обработке длинных волокон. Приготовленная таким образом бумажная масса характеризуется невысокими бумагообразующими свойствами, что в первую очередь проявляется в понижении способности к обезвоживанию и образованию межволоконных сил связи. В конечном счете, уменьшаются скорость бумагоделательной машины и механическая прочность материала. Для реализации селективной обработки коротко- и длинноволокнистой фракций вторичного волокна с целью повышения бумагообразующих свойств необходим процесс фракционирования, т. е. получения двух волокнистых фракций с разными свойствами. После фракционирования коротковолокнистый материал в зависимости от его физической характеристики и технологического назначения либо вообще не подвергают размолу, либо размалывают отдельно. Длинноволокнистая фракция диспергируется и размалывается в целях гомогенезации бумажной массы и повышения ее прочности. На рис. 1 приведены результаты исследования влияния параметров процессов фракционирования и размола вторичного волокна на трещиностойкость тест-лайнера. Рис. 1. Влияние параметров процессов фракционирования и размола на трещиностойкость тест-лайнера: ОСКВ - относительное содержание коротковолокнистой фракции; СПКВ - степень помола коротковолокнистой фракции; СПДВ - степень помола длинноволокнистой фракции [увеличить] Данные исследования позволили определить технологические параметры, обеспечивающие получение тест-лайнера с максимально возможной в данной технологии трещиностойкостью JIC=1500 кДж/м: степень помола длинноволокнистой фракции (СПДВ) 35 °ШР; степень помола коротковолокнистой фракции (СПКВ) 25 °ШР; относительное содержание короткого волокна (ОСКВ) 35%. Таким образом, контроль трещиностойкости материала позволяет на практике принимать решения об оптимизации технологического процесса: необходимой эффективности сортирования фракций в целях уменьшения размеров типичных дефектов, относительном содержании в структуре длинноволокнистого полуфабриката или длинноволокнистой фракции для нивелирования воздействия дефектов; о параметрах процесса размола для заданного изменения свойств волокон. Контроль трещиностойкости также помогает принимать решения о модернизации бумагоделательной машины с целью уменьшения колебаний характеристик качества бумажного полотна и размеров дефектов кромок; об использовании для производства менее дорогостоящих полуфабрикатов; о снижении массы 1 м2. /Полную версию статьи вы можете запросить в Архангельском ГТУ (координаты в редакции)/

Читайте также в №6 (№72) / июнь /2006 Колонка редактора: Инвестиции: привлекать или не привлекать? Бумажный глобус: Изменения климата нам под силу! Интервью: Крылья украинского тиссью На правах рекламы: …прикосновение утонченной нежности Тиссью: Европейское тиссью — все отлично? Тиссью: Каждый день ниже цены Есть тема...: Драгоценный камень Выставка: «РОСУПАК - 2006» Бумажная наука: Трещиностойкость — характеристика прочности бумаги и картона История: Черлянская фабрика бумаги: 1826–1914 гг.