Вязкоупругость наполненных целлюлозно-бумажных материалов

В производстве печатных видов бумаг широко применяются минеральные наполнители и химикаты, необходимые для выполнения различных функций в процессе формирования полотна бумаги. Объемы химических веществ, используемых при производстве целлюлозно-бумажных материалов, постоянно увеличиваются. Общеизвестно, что введение наполнителей понижает прочностные свойства бумаги. Влияние наполнителей и сопутствующих химикатов на деформационные и вязкоупругие характеристики, а также на трещиностойкость наполненных целлюлозно-бумажных материалов при растяжении практически не исследовано. Данные характеристики являются важными для печатных бумаг, поскольку они определяют качество прохождения бумаг через транспортные системы печатных машин.

Это определяет целесообразность работ, направленных на исследование влияния основных факторов наполнения на вязкоупругие, деформационные и прочностные свойства целлюлозно-бумажных материалов, а также на установление взаимосвязи между данными свойствами.

Главной целью работы является исследование влияния основных факторов наполнения бумаги на ее вязкоупругие свойства при растяжении, а также на ее прочностные и деформационные характеристики, исследование влияния факторов наполнения бумаги не ее трещиностойкость, а также исследование корреляции характеристик вязкоупругости с характеристиками прочности и деформативности.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи: 1) развить и экспериментально обосновать метод оценки вязкоупругости целлюлозно-бумажных материалов при растяжении, используя кривые зависимости «усилие — удлинение» и «напряжение — деформация», сформулировать методологический подход к оценке вязкоупругости бумаги;

2) изучить возможность использования таких методик, как определение критической длины волокна и трещиностойкости применительно к наполненным видам целлюлозно-бумажных материалов;

3) оценить влияние основных технологических факторов наполнения на характеристики вязкоупругости целлюлозно-бумажных материалов;

4) оценить корреляцию характеристик вязкоупругости с характеристиками де-формативности и прочности;

5) провести оптимизацию композицию бумаги для печати, наполненной мелом, с целью увеличения зольности (содержания наполнителя), без существенного снижения прочностных и деформационных характеристик.

На защиту выносятся:

— разработанный методологический подход к оценке вязкоупругих свойств целлюлозно-бумажных материалов при растяжении и новые представления о формировании вязкоупругости целлюлозно-бумажных материалов;

— результаты исследования влияния различных факторов технологии наполнения на вязкоупругие свойства целлюлозно-бумажных материалов;

— основные закономерности влияния химикатов, применяемых для удержания наполнителя, и рН бумажной массы на вязкоупругие свойства целлюлозно-бумажных материалов;

— корреляционные зависимости характеристик вязкоупругости с характеристиками деформативности и прочности образцов целлюлозно-бумажных материалов, изготовленных при различной технологии;

— результаты оптимизации композиции бумаги для печати, наполненной мелом.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Общие положения.

Все технические изделия изготавливают из определенных материалов, свойства которых должны обеспечивать надежную эксплуатацию данного изделия. Свойства материалов можно подразделить на три наиболее важных класса: тепловые, электрические и механические.

Изучением свойств материалов занимается наука материаловедение. Для многих материалов в нормальных условиях эксплуатации наибольшее значение в качестве потребительских приобретают механические свойства, такие как упругость, вязкость, пластичность и прочность [1−3]. Независимо от того, какое из физических свойств будет использовано, совокупность механических свойств — прочности, пластичности, упругости — главный фактор, определяющий возможность использования материала. Механические свойства любого материала зависят от его структуры, понятие которой включает в себя пространственное взаимное расположение и взаимосвязь составных частей тела (атомов, молекул, мелких частиц), а также образование отдельных фаз.

Классическая теория упругости описывает свойства идеально упругих тел, гидродинамика изучает свойства идеально вязких жидкостей. Однако поведение любого реального материала, в том числе и целлюлозно-бумажного, при соответствующих условиях сочетает в себе свойства жидкости и твердого тела, т. е. принято говорить о вязкоупругости материалов. Между предельными состояниями — идеально упругими твердыми телами и вязкими жидкостями существует непрерывный ряд переходов, образующих большое многообразие реальных тел промежуточного характера. Максвелл выдвинул положение о том, что между твердыми телами и жидкостями отсутствуют принципиальные различия в механических свойствах. Данное положение основывалось на том, что для данных тел существенно различается лишь время релаксации, т. е. то время, которое необходимо для спада напряжения на определенную заметную величину. Процесс релаксации заключается в рассеивании упругой энергии, запасенной в теле. Данный процесс является универсальным самопроизвольным процессом.

При воздействии внешней нагрузки происходит деформация практически любого материала. Полная деформация складывается из мгновенной упругой деформации, упруго-вязкой, развивающейся во времени, и пластической, также развивающейся во времени, поэтому материалы с такими свойствами называют упруго-вязко-пластичными [4]. Соотношение между этими деформациями зависит как от структуры материала, так и от скорости, продолжительности действия и величины прилагаемой нагрузки. Поэтому классификацию тел по реакции на прилагаемые нагрузки, приведенную ниже, можно считать условной.

По реакции на приложение нагрузки определенной величины, действующей с указанной скоростью и определенное время, материалы подразделяют на линейно-упругие, упруго-пластичные и вязкоупругие. Большинство реальных материалов являются вязкоупругими [5 ].

Материал можно отнести к линейно-упругим, если при приложении механического напряжения в нем вплоть до достижения критических условий развиваются только мгновенные упругие деформации.

Материал относят к упругопластичным, если при его нагружении наряду с мгновенными упругими развиваются также пластические деформации. В зависимости от объема материала, вовлекаемого в пластическое деформирование, различают два типа упругопластичных материалов: псевдоупругие и пластичные. У псевдоупругих материалов пластические деформации локализуются только вблизи вершин имеющихся дефектов, причем протяженность зоны этих деформаций мала по сравнению с длиной трещин, у пластичных материалов при приложении механической нагрузки мгновенные пластические деформации развиваются почти по всему объему. Если в упругопластичном материале пластические деформации носят характер вязкого течения, то такой материал называют упруговязкопластич-ным, или просто вязкопластичным.

Если в материале при любой нагрузке наряду с упругими деформациями развиваются неупругие, величина которых зависит от длительности или скорости приложения нагрузки, то такие материалы называют вязкоупругими [6]. Вязкоуп-ругий материал считают нелинейно-упругим, если при приложении нагрузки в нем развиваются только обратимые деформации — мгновенные упругие и зависящие от времени вязкоупругие (эластические) деформациивязкоупругий материал считают линейно-упругим, если под воздействием приложенного напряжения в нем, наряду с обратимыми деформациями, развиваются также необратимые деформации идеального (ньютоновского) течения. Поведение таких материалов, как вязкоупругие, является наиболее сложным для качественного и количественного описания. Хотя феноменологическая теория вязкоупругости основывалась на экспериментах по изучению свойств металлических и стеклянных нитей, наиболее широкое применение она нашла для высокомолекулярных соединений (полимеров), механическое поведение которых в основном и определяется их вязкоупругими свойствами.

7].

Для качественного и количественного описания поведения вязкоупругого материала пользуются механическими моделями, составленными путем различного комбинирования идеально упругого элемента Гука (пружины) и идеально вязкого элемента Ньютона (поршня в вязкой жидкости) [6, 7].

Существует также классификация материалов по характеру разрушения: в механике трещин материалы по данному признаку подразделяют на хрупкие и нехрупкие (вязкие). У идеально хрупкого материала при достижении критических условий элементы, прилегающие к берегам трещины, сразу же переходят из сплошного состояния в разорванное. Материал называют нехрупким, если при его нагружении разрушение элементов, прилегающих к берегам трещины, происходит в два этапа. На первом этапе, когда нагрузки ниже критических, элементы материала переходят из сплошного в некоторое промежуточное состояние, характеризующееся нарушением сплошности. На втором этапе, при достижении критических условий, элементы материала переходят из промежуточного в полностью разрушенное состояние. Нехрупкими (вязкими) могут быть материалы с любыми реологическими свойствами.

Целлюлозно-бумажные материалы, как и большинство реальных материалов, являются вязкоупругими. Целлюлозно — бумажные материалы обладают специфической структурой и являются довольно сложными объектами для изучения.

Этим и объясняется тот факт, что материаловедения целлюлозно-бумажных материалов, как окончательно сформировавшейся науки, пока нет.

Материаловедение как наука формировалась на исследованиях свойств традиционных конструкционных материалов, таких как металлы, керамика, которые обладают кристаллической структурой. Появившиеся позже полимерные и композитные материалы отличает сложность структуры и многообразие свойств, а также возможность создания материалов с заданными свойствами.

Целлюлозно-бумажные материалы по типу строения можно отнести и к полимерам, и к композитным материалам.

К полимерам их можно отнести исходя из того, что основу материала составляют волокна, состоящие из природных полимеров — целлюлозы, гемицеллю-лозы и лигнина. Основной компонент бумажных волокон — целлюлоза — линейный гетероцепной стереорегулярный гомополимер, который состоит из [3-D — глюкопи-ранозных звеньев, соединенных 1−4 гликозидной связью. Свойства полимерного вещества зависят не только от строения молекулы, но также в значительной степени определяются надмолекулярной структурой высокомолекулярного соединения [8,9]. По сравнению с макромолекулами многих полимеров у целлюлозы более выражена жесткость цепи, что обусловлено внутримолекулярными водородными связями [10]. Макромолекулы целлюлозы соединены в элементарные или протофиб-риллы, состоящие из чередующихся кристаллических и аморфных участков. Про-тофибриллы, в свою очередь, организованы в более крупные образования, из которых формируются фибриллы, составляющие клеточную стенку бумажного волокна [11].

К композитным материалам относят такие, которые состоят по меньшей мере из двух разнородных материалов, имеющих четкую границу раздела [12]. В структуре композита обычно выделяют матрицу и армирующий компонент. Из теории прочности композитов известно, что композитный материал обладает лучшими свойствами по сравнению с веществами, входящими в его композицию [13]. Функции составляющих композитного материала заключаются в следующем: армирующие элементы, обладающие большей прочностью и хрупкостью, обеспечивают высокую прочность на растяжение и изгиб, а также анизотропию свойствматрица обеспечивает фиксацию армирующих элементов, защиту их поверхности, распределение нагрузки вдоль армирующего элемента, а также перераспределение ее в случае разрыва армирующего элементаповерхность раздела определяет, как энергия удара, напряжения или деформации передается от матрицы к армирующему элементу. Исследования влияния фракционирования волокон целлюлозы по длине на свойства бумаги показали, что бумагу в какой-то степени молено отнести и к композитам: бумага из размолотой, но не фракционированной целлюлозы обладает большей механической прочностью, чем бумага, изготовленная из любой фракции этой же целлюлозы [14]. Таким образом, бумагу можно лишь приближенно рассматривать как композит, армированный дискретными волокнами, так как нет четкой границы, которая разделяла бы волокна на наполняющие и связующие [15] .Из теории прочности композитных материалов известно понятие «критической» длины волокна. В работе [16] показано, что данная характеристика применима и к целлюлозно-бумажным материалам. По мнению автора, волокна с длиной > 1кр являются армирующими компонентами, а волокна с длиной < 1кр являются связующими.

В настоящее время выпускается большое количество видов бумаги для печати. Производители печатной продукции могут судить о пригодности целлюлозно-бумажных материалов для использования по комплексу так называемых печатных свойств бумаги [17,18]. Данное понятие является весьма неопределенным, так как при различных способах печати предъявляются различные требования к бумаге, а также данное понятие включает в себя большое количество различных по физической природе показателей. Печатные свойства бумаги — это совокупность ее оптических, геометрических и структурномеханических характеристик, к которым относятся, в том числе, вязкоупругие и деформационные свойства бумаги. Величина нагрузок, которые бумажное полотно испытывает в процессе печати, редко превышает предел прочности, Поэтому при оценке качества печатных видов бумаг из механических характеристик необходимо учитывать, кроме прочностных, и вязкоупругие и деформационные. Так как целлюлозно-бумажные материалы являются вязкоупругими, то показатели вязкоупругости, на наш взгляд, заслуживают более пристального внимания и изучения, так как они во многом определяют качество прохождения бумажного материала через транспортную систему печатных и копировальных устройств, а также многие другие потребительские свойства бумаги [19].

Производство любой продукции в наше время, для того, чтобы быть и оставаться конкурентоспособным, должно основываться на идеологии всеобщего управления качеством (TQM). Система практической реализации 14 постулатов Деминга в промышленности и сфере услуг получила название Всеобщего Управления Качеством [20]. Когда говорят о качестве, то подразумевают не только продукт. Международный стандарт ISO 8420 [20] дает более широкое понятие — объект качества. Объектом может быть: деятельность или процесспродукция (результат деятельности процессов), которая, в свою очередь, может быть в виде материального продукта, так и нематериальной (например, информация или понятия), или комбинацией из нихорганизация, система или отдельное лицолюбая комбинация из всех вышеперечисленных.

Стандарт ISO 8420 дает следующее определение качества: «Качество-это совокупность характеристик объекта, относящихся к его способности удовлетворить установленные и предполагаемые потребности». Переход отечественных целлюлозно-бумажных предприятий на систему качества стандартов ISO 9000 является сегодня объективной необходимостью, для того чтобы обеспечить выход продукции на мировой рынок. Параметры качества могут иметь количественные и качественные характеристики. Для обеспечения контроля и управления качеством продукции производителю желательно иметь количественные характеристики. Для всесторонней оценки качества целлюлозно-бумажных материалов необходимы не только испытания на прочность, но и определение целого ряда характеристик деформативности. В Российской Федерации показатели деформативности целлюлозно-бумажных материалов в большинстве случаев не нормируются отечественными стандартами. В то же время, согласно требованиям стандартов серии ISO 9000, испытания бумаги с целью определения ее жесткости при изгибе и жесткости при растяжении являются общепринятыми [21]. Также в соответствии с данной системой стандартов при оценке качества определяется гораздо более широкий спектр физико-механических характеристик, чем это предусмотрено отечественными ГОСТ и ТУ. В табл.1 приведен перечень характеристик, отражающих соответствие офсетной бумаги своему назначению, и выделены те из них, которые используются при оценке качества российскими и зарубежными производителями.

При использовании системы оценки качества ISO 9000 производитель в процессе контроля должен оценивать достаточно широкий спектр потребительских свойств, который, по возможности, должен удовлетворять претензии любого потребителя [22].

Таблица 1.1.

Физико-механические показатели офсетной бумаги, определяемые в отечественной и зарубежной практике.

Характеристики по ТУ 5431−395 711 131−98 по ТУ 13−281 020 111−91 по данным фирмы Torentzen & Wettre сопротивление разрыву + + + деформация разрушения — - + работа разрушения — - + сопротивление продавлива-нию — - + сопротивление раздиранию — - + сопротивление излому — + жесткость при растяжении — - + жесткость при изгибе — - + модуль сдвига — - вязкость разрушения — - + стойкость поверхности к выщипыванию — + +.

Гладкость + + + толщина — - +.

Плотность + +.

Одним из этапов перехода отечественных предприятий ЦБП на систему гарантии качества ISO 9000 — внедрение в общепринятую практику оценки качества целлюлозно-бумажных материалов новых перспективных показателей. К их числу относится, прежде всего, жесткость при изгибе и ряд деформационных и вязкоуп-ругих характеристик, вычисляемых из интегральной зависимости «а — s», получаемой при испытании на растяжение. Внедрение указанных выше характеристик ограничивает то обстоятельство, что отсутствуют научно обоснованные требования потребителей на величины характеристик деформативности и вязкоупругости целлюлозно-бумажных материалов.

Учитывая важность механических свойств бумаги для потребителей, необходимо исследование механических свойств целлюлозно-бумажного материала в комплексе — как прочностных характеристик, так и показателей вязкоупругости. Последние, как было сказано выше, являются очень важными, особенно для печатных видов бумаги. Для данных материалов важно, чтобы деформации были обратимыми. При использовании системы оценки качества ISO 9000 производитель должен оценивать широкий спектр характеристик, чтобы иметь больше возможностей реализации своей продукции. Таким образом, испытания, направленные на изучение формирования характеристик вязкоупругости целлюлозно-бумажных материалов в процессе производства, должны способствовать лучшей оценке качества бумаги для печати и переходу производителей бумажной продукции на систему гарантии качества ISO 9000.

4. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработан методологический подход для оценки вязкоупругости бумаги, основанный на разделении общей величины работы разрушения (АР) на составляющие, соответствующие различным стадиям деформирования — Ау — работе в зоне упругих деформацийА3. у, Ап — работам на начальном и конечном участках замедленно-упругих деформацийАт — работе в области предразрушения образцов. tw.

Показано, что оценка их характеристик Еь /1ф, J ic, позволяет контролировать формирование вязкоупругости бумаги в условиях производства.

2. Установлено, что из всех исследованных факторов наибольшее влияние на величину характеристик вязкоупругости целлюлозно-бумажных материалов оказывает зольность, на втором месте по степени влияния — рН бумажной массы во время отлива, менее значительно влияют степень помола полуфабриката и композиция по волокну. Такие факторы, как масса 1 м и расход флокулянтов, влияют на вязкоу пру гость в еще меньшей степени.

3. Установлено, что варьирование отдельных технологических факторов наполнения бумаги приводит к изменению величины работы на определенной стадии деформирования, что свидетельствует о возможности целенаправленного регулирования факторов для получения материала с заданными свойствами.

4. Установлено, что вязкоупругость бумаги, изготовленной из лиственной целлюлозы, определяется в основном процессами, протекающими при деформировании в замедленно-упругой зоне. Смешение в композиции бумаги хвойной и лиственной целлюлозы приводит к преобладающему влиянию на вязкоупругость бумаги трещиностойкости.

5. Показано, что бумага, отлитая из бумажной массы в щелочной среде, обладает большей вязкоупругостью, обусловленной возрастанием величины и относительного вклада работы, совершаемой на неупругих стадиях деформирования.

6. Для целлюлозно-бумажных материалов получил экспериментальное подтверждение постулат о том, что более хрупкие материалы обладают пониженной трещиностойкостью (вязкостью разрушения).

7. Показано, что относительный вклад в работу разрушения составляющих, соответствующих различным стадиям деформирования, имеет значительную вариацию в зависимости от изменения основных технологических факторов наполнения бумаги. В меньшей степени это касается работы в области упругого дефорw мирования. Теснота корреляции таких характеристик, как Еь /кр и Jic с составляющими работы разрушения зависит от степени изменчивости последних.

8. Показано, что значимая корреляции вязкоупругих, прочностных и деформационных свойств наблюдается не для всех материалов. При наполнении связь прочности при растяжении и вязкоупругости более выражена, чем при варьировании других, отдельно взятых параметров наполнения.

9. Установлена избирательность влияния технологических факторов наполнения на характеристики вязкоупругости, деформативности и прочности бумаги, наполненной мелом. Смешение в композиции хвойной и лиственной целлюлозы с одинаковой степенью помола при низком содержании хвойной целлюлозы приводит к увеличению вязкоупругости и прочности при растяжении. Для получения максимальной трещиностойкости и жесткости при изгибе необходимо более высокое содержание в композиции хвойной целлюлозы и различия в значениях степени помола хвойной и лиственной целлюлозы.