Механика композитных материалов N1 2006
..pdfТабл. 3
Изменение изгибной прочности a и модуля упругости композитов на основе ПП—ДВ после длительного погружения в воду (20 °С)
|
|
|
|
|
|
После по |
Композит |
Метод формо |
До погружения |
После погружения |
гружения и |
||
|
|
|
|
десорбции |
||
вания |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ста, МПа |
£fl, МПа |
ад, МПа |
Efi, МПа |
А^НоО» 0//° |
ПП+50%ТДВ+ |
Агломерация |
64,8 |
4156 |
67,3 |
4396 |
3,80 |
5%МПП |
|
|
|
|
|
|
ПП+50%ТДВ |
Агломерация |
45 |
4503 |
43,4 |
2898 |
1,96 |
ПП+50%ТДВ+ |
Экструзия |
67,3 |
4637 |
68,5 |
4852 |
3,51 |
5%МПП |
|
|
|
|
|
|
ПП+50%ТДВ |
Экструзия |
45,3 |
4482 |
45,5 |
3041 |
1,89 |
ПП+50%МДВ |
Агломерация |
64 |
4495 |
67,9 |
4936 |
4,03 |
+5%МПП |
|
|
|
|
|
|
ПП+50%МДВ |
Агломерация |
45,9 |
4351 |
43,7 |
3144 |
2,10 |
ПП+50%МДВ |
Экструзия |
66,5 |
4472 |
68,8 |
4847 |
4,72 |
+5%МПП |
|
|
|
|
|
|
ПП+50%МДВ |
Экструзия |
48,5 |
4579 |
48,4 |
3286 |
2,20 |
демонстрировали композиты, изготовленные в двухшнековом экструдере. Однако у немодифицированных композитов имело место снижение прочнос ти (и особенно модуля упругости). В то же время у модифицированных ком позитов после десорбции наблюдали небольшое увеличение значений a и Ef1 по сравнению с первоначальными. В общем независимо от типа ДВ и ме тода формования восстановление прочности образцов с МПП было большим, чем без него.
Результаты по набуханию образцов As (см. рис. А— б) также согласуются с результатами кинетики сорбции воды (см. рис. А— а). Набухание немодифи цированных композитов — примерно 10— 13% (в зависимости от метода формования), тогда как у образцов, содержащих МПП, оно равно 8—9%. Так же необходимо отметить, что равновесных значений набухания за время экс перимента достигли только образцы из немодифицированных композитов.
За время нахождения в воде ^модифицированные композиты ПП—ДВ потеряли свой цвет коричневого дерева и стали серыми, что может быть об условлено вымыванием экстрактивных веществ ДВ. Поверхность этих об разцов стала шероховатой. Цвет образцов, содержащих МПП, не изменился.
Результаты циклических испытаний по водопоглощению композитов ПП—ДВ, изготовленных с помощью высокоскоростного смесителя, пред ставлены на рис. 5—а. Наибольшую скорость сорбции как у немодифициро ванных, так и модифицированных композитов наблюдали в течение первых
Рис. 5. Влияние метода смешения в скоростном смесителе (а) и двухшнековом экструдере (б) и наличия модификатора МПП на водопоглощёние в циклическом испытании композита на основе ПП—ТДВ. □ — ПП + 50% ТДВ; ▲ — ПП + 50% ТДВ + 5% МПП.
15 циклов, но количество поглощенной воды в них было разным: около 3 и 1% у немодифицированного и модифицированного образцов соответственно.
Сорбция воды композитами ПП—ДВ вызывает как обратимое, так и не обратимое набухание. Набухание дерева при контакте с влагой создает зна чительные силы (по данным [13] теоретическое давление набухания дерева равно 165 МПа). Изменение содержания воды в таких композитах с и без МПП в ходе 40-циклового испытания увлажнения/сушки показано на рис. 5. Наибольшее увеличение водопоглощения имело место во время первых 15 циклов, при которых необратимое набухание было наибольшим. После 20 циклов набухание было обусловлено обратимыми изменениями объема ДВ при увлажнении и сушке. Наличие модификатора существенно уменьшает как обратимое, так и необратимое набухание: набухание немодифицирован ного композита после 24 ч погружения в воду около 1,55%, после первого цикла сушки уменьшилось до 0,41%. В случае модифицированного композита эти значения были только 0,33 и 0,01% соответственно.
112 |
МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ.— 2006.— T. 42, № 1. |
Табл. 4
Восстановление изгибной прочности a fl и модуля упругости композитов на основе ПП—ТДВ после циклического
увлажнения/высушивания (%)
Композит |
0 циклов |
20 циклов |
30 циклов |
40 циклов |
50 циклов |
||||
Ей |
|
|
Wfl |
Ей |
|
Ей |
®fl |
Ей |
|
|
|
|
|
||||||
ПП + 50%ТДВ* |
100 |
98 |
80 |
97 |
77 |
97 |
69 |
92 |
70 |
ПП + 50%ТДВ + |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
91 |
+ 5%МПП* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ПП + 50%ТДВ” |
100 |
100 |
87 |
98 |
82 |
ПП + 50%ТДВ + |
100 |
100 |
96 |
98 |
98 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
+5%МПП”
*Изготовлен в высокоскоростном смесителе. ** Изготовлен в двухшнековом экструдере.
Такую же картину водопоглощения наблюдали для композитов, изготов ленных в двухшнековом экструдере (см. рис. 5—б), но содержание погло щенной воды в них было значительно меньшим, чем изготовленных в высо коскоростном смесителе (см. рис. 5—а). Различия для модифицированных композитов незначительные. Таким образом, можно сделать вывод о том, что результаты циклических и статических экспериментов хорошо согласуются.
Испытания на изгиб проведены также на образцах, циклически увлажня емых (24 ч в воде при температуре 20 °С) и высушиваемых (24 ч в печи при температуре 20 °С). Во время этих экспериментов периодически измеряли изгибную прочность и модуль упругости (табл. 4). Как и предполагали, с увеличением количества циклов значения a и для ^модифицирован ных композитов медленно уменьшаются. Однако увлажнение/сушка в ходе экспериментов не оказали существенного влияния на изгибную прочность и модуль упругости модифицированных композитов независимо от метода их формования и типа ДВ. Восстановление изгибных свойств указывает на то, что влияние воды связано главным образом с физическим взаимодействием молекул воды. После удаления воды свойства материала полностью восста навливаются, особенно если при наличии Mill! образуются сильные адгези онные связи между ДВ и ПП.
Заключение
1. Исследовано влияние метода формования (в двухвалковых вальцах, высокоскоростном смесителе и двухшнековом экструдере) на прочность композитов на основе ПП—ДВ. Наилучшие результаты получены при сме шении композитов в двухшнековом экструдере.
2. Изучена кинетика водопоглощения композитами на основе ПП—ДВ при трех температурах воды (20, 50 и 90 °С). Полученные результаты свиде-
тельствуют о том, что метод формования и наличие модификатора (МПП) су щественно влияют на механические свойства материалов в сухом и увлаж ненном состояниях.
3. При циклическом увлажнении/высушивании композиты Г1П—ДВ про демонстрировали постоянный рост водопоглощения (и набухание образцов)
в течение первых 15—20 циклов, а затем достигли его некоторых равновес ных значений. После высушивания прочностные свойства модифицирован ных композитов полностью восстановились.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Bledzki А. К., Sperber V. Е., and Faruk О. Natural and wood fibre reinforcement in polymers // Rapra Rev. Reports. — 2002. — Vol. 13, No. 8. — P. 152.
2.Magurno A. Vegetable fibers in automotive interior components // Die Angewandte Makromolekulare Chemie. — 1999. — Vol. 272, No. 4751. — P. 99—107.
3.Li Q. and Matuana L. M. Surface of cellulosic materials modified with functionalized PE coupling agents // J. Appl. Pol. Sci. — 2003. — Vol. 88. — P. 278—286.
4.Краткая химическая энциклопедия. T. 5. — М.: Советская энциклопедия, 1965. — С. 42.
5.Joseph Р. V., Mathew G., Joseph К., Thomas S., and Pradeep P. Mechanical properties of short sisal fiber reinforced PP composites: comparison of experimental data with theoretical predictions // J. Appl. Pol. Sci. — 2003. — Vol. 88, No. 3. — P. 602—611.
6.Tadmor Z. and Gogoo C. G. Principles of Polymer Processing. — N.Y.: John Willey and Son, 1979. — 196 p.
7.Bledzki A. K., Letman M., ViksneA., and Renee L. A comparison of compounding processes and wood type for wood fiber — PP composites // Composites. Part A. — 2005. — Vol. 3. — P. 789—797.
8.Joseph P. V., Joseph K., and Thomas S. Effect of processing variables on the mechanical properties of sisal fiber reinforced PP composite // Composite Sci. and Techn. — 1999. — Vol. 59. — P. 625—1640.
9.Cantero G., Arbelaiz A., Llano-Ponte R., and Mondragon I. Effects of fibre treatment on wettability and mechanical behavior of flax/PP composites // Composites Sci. and Techn. — 2003. — Vol. 63. — P. 1247—1254.
10.Berthold J., Rinaudo M.t and Salmen L. Association of water to polar groups; estimations by an adsorption model for ligno-cellulosic materials // Colloids and Surfaces, Part A. — 1995. — No. 1. — P. 1—13.
11.Siau J. F. Transport Processes in Wood. — Berlin: Springer-Verlag, 1984. —
245 p.
12.Crank J. Mathematics of Diffusion. — London: Oxford University Press, 1970.
13.Stomm A. J. Wood and Cellulose Science. — N.Y.: Ronald Press, 1964. — 549 p.
Поступила в редакцию 13.12.2004 Received Dec. 13, 2004
МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ.— 2006,— Т. 42, № 1. — С. 115— 128
MECHANICS OF COMPOSITE MATERIALS. — 2006,— Vol. 42, No. 1. — P. 115— 128
M. Чепель Дж. В. Прован*, А. Нишида **, К. Бигс***
’Pulp and Paper Research Institute of Canada (PAPRJCAN), 3800 Wesbrook Mall, Vancouver,
BC, Canada V6S2L9 **University of Victoria, Victoria, BC, Canada
" ’Department ofMechanical Engineering, University of Victoria, Victoria, BC, Canada
И З М Е Р Е Н И Е Г И Б К О С Т И Е Д И Н И Ч Н Ы Х В О Л О К О Н Д Р Е В Е С Н О Й
ЦЕ Л Л Ю Л О З Ы 1
М.Tchepel, J. W. Provan, A. Nishida, and С. Biggs
A PROCEDURE FOR MEASURING THE F L E X IB IL IT Y OF SINGLE
WOOD-PULP FIBRES
Keywords: refining, specific energy (SE), single wood fibres, thermomechanical pulp (TMP), softwood, S2 layer, confocal laser scanning microscope, fibril angle, single fibre fatigue cell, axial fa tigue, second moment of area, modulus of elasticity, fibre flexibility, fibre properties
A way of determining the flexibility of wood-pulp fibres is developed, which involves i) a precise measurement of the topology of single fibres by using a confocal laser scanning microscope and ii) the measurement of the elastic modulus of the fibres by using a single fibre fatigue cell. Reported in this paper are the initial results of tests carried out on black spruce fibres, which have been subjected to three different levels of mechanical refining energy, namely -1100, 2300, and 3500 kWh/t. It is found that the fibre flexibility rises significantly between the first and second energy levels, but it does not change to the same degree between the second and third ones. The described procedure of measuring the flexibility of fibres may be used to establish the appropriate refiner energy necessary for the production of a specific grade of paper.
Ключевые слова: размол, энергия удельная, волокна древеси ны единичные, масса древесная термомеханическая, древеси на мягкая, микроскоп лазерный сканирующий конфокальный, угол фибриллы, установка для усталостного нагружения еди ничного волокна, усталость осевая, статический момент сече ния, модуль упругости, гибкость волокна, свойства волокна
Описан способ определения гибкости волокон целлюлозы, включающий точное определение топологии единичных воло-
'Перевод с англ.
кон при помощи конфокального сканирующего лазерного мик роскопа и измерение модуля упругости волокна при использо вании установки для усталостного нагружения единичного волокна. Изложены начальные результаты исследования воло кон, полученных из черной ели, подвергнутых механическому размолу при трех уровнях энергии 1100, 2300 и 3500 кВт ч/т. Установлено, что гибкость волокон существенно увеличивается при переходе от первого ко второму уровню энергии и значи тельно меньше — от второго к третьему. Показана возмож ность использования методики измерения гибкости волокон для установления уровня энергии размола, необходимого для про изводства конкретного сорта бумаги.
Введение
Установка для усталостного нагружения единичного волокна была раз работана для моделирования и наблюдения за режимами нагружения, реа лизующимися в механических мельницах для размола древесной массы [1]. Изменения свойств волокон и значительные структурные изменения, проис ходящие в волокнах под нагрузкой, оказывают существенное влияние на про цесс производства бумаги, особенно на стадии размола древесной массы. Успехом этих экспериментов можно считать оптимизацию свойств волокон, позволяющую выбрать такой уровень энергии размола, который необходим для получения бумаги требуемого качества. Цель работы — получение коли чественных соотношений между механическими свойствами волокон до и после испытаний и соотношение этих свойств с обеспечивающими их уров нями энергий размола.
При термомеханическом процессе получения целлюлозы, используемом при изготовлении более прочных газетных бумаг и картона, исходный мате риал размягчается путем обработки паром под давлением до и во время раз мола. Результатом является повышение процентного содержания длинных волокон.
Испытывали три образца термомеханической древесной массы (ТМДМ) черной ели (табл. 1) и поставляемых институтом PAPRICAN-Pointe Claire. Поскольку волокна мягкой древесины более пригодны для варки и посколь ку именно такие волокна использовали в эксперименте, целесообразно дать краткий обзор исследований их структуры.
|
Табл. 1 |
|
Удельная энергия |
Партия |
Полная удельная энергия, кВт • ч/т |
X |
1100 (низкий уровень) |
В |
2300 (средний уровень) |
D |
3500 (высокий уровень) |
Волокна мягкой древесины [2, 3] обычно имеют длину 3 мм и диаметр 25— 50 мкм. Каждое волокно состоит из стенки ячейки, окружающей внут реннюю полость, называемую люменом. Первичная стенка волокна являет ся внешним слоем, который связан со средней ламелью, обогащенной лиг нином межъячеистой субстанции. Вторичная стенка делится на три части: внешний слой S1, средний слой S2 и внутренний слой S3. Слой S2 содержит 90% массы волокон и состоит из фибрилл, которые являются пучками цел люлозных цепей, размещенных по винтовым линиям вокруг люмена под углом к оси волокна. Этот угол, примерно постоянный для волокна, называ ется углом фибриллы. В данной работе не обнаружено сильного влияния угла фибрилл на свойства волокна; однако у более гибких волокон угол фибрилл меньше. По требованиям эксперимента рассматривали только длинные волокна, поэтому неоднородность бумажной массы была умень шена. Конфокальный лазерный сканирующий микроскоп использовали для измерения угла фибрилл и других свойств волокон, таких, как центральный периметр ячейки, периметр люмена, толщина и площадь поперечного сече ния. Размол является существенной частью процесса производства бумаги, во время которого волокнам придаются оптимальные свойства, обеспечива ющие ее качество. В частности, механический размол приводит к росту пло щади поверхности и гибкости волокон, увеличивая их связываемость и улучшая формуемость за счет укорочения волокон [2]. Вначале внутри мельницы первичная стенка частично высвобождается, открывая вторич ную и позволяя ей абсорбировать воду. Такая "внутренняя фибрилляция" делает волокна мягкими и гибкими. Дальнейшая фибрилляция высвобождает фибриллы и вызывает рост микрофибрилл, увеличивая наружную поверх ность волокна. После того как волокна становятся более гибкими, стенка ячейки сплющивается в люмен [3]. Размол также меняет способность бу мажной массы к дренируемости из-за появления на волокнах выступов, яв ляющихся маленькими фрагментами разрушенных волокон, заполняющих щели в сети волокон [3].
Впроцессе размола изгиб и дробление вызывают нормальные сжимающие
ирастягивающие напряжения, в то время как перекатывание и скручивание вызывают сдвиг. Вследствие цикличности воздействие этих напряжений можно рассматривать как усталостное [1,3]. Хотя процентные соотношения между нагружениями различных типов и неизвестны, продольные нагрузки превалируют и, следовательно, исследование реакции волокон на продоль ное усталостное нагружение является наиболее важным в понимании их эволюции в процессе обработки.
Установка для усталостного нагружения единичного волокна
Установка (рис. 1) была разработана для исследования механического поведения волокон древесной целлюлозы при условиях, подобных тем, ко торые существуют в механических мельницах. Точнее, она была разработа на для циклического нагружения единичного волокна древесной целлюло-
Волокна осторожно помещали между двумя позолоченными вилками в климатической камере и удерживали капельками эпоксидной смолы на каж дом конце волокна. Эпоксидная смола, помещаемая на вилке, создавала самоцентрирующиеся захваты, обеспечивающие минимальную концентрацию напряжений. Для установки расстояния между вилками, соответствующего длине волокна при испытании, использовали микрометр.
Методика исследования
Подготовка бумажной массы. Бумажную массу фракционировали в диа пазоне номеров R14 и R28 (классификатор Bauer—McNett). Полученные примерно 2—3-миллиметровые волокна окрашивали в течение 60 мин в 0,1% растворе голубой краски примерно при 100 °С и затем охлаждали в красителе еще 60 мин. Затем их промывали и хранили в маленьких бутыл ках с дистиллированной водой. По мере необходимости волокна вынимали из воды и помещали между двумя предметными стеклами с нанесенной на них каплей воды для предохранения от скручивания при высыхании и при дания плоской формы. Это необходимо при применении конфокального сканирующего лазерного микроскопа [4, 5]. Были рассмотрены только длинные волокна. После высушивания в течение 24 ч при комнатной темпе ратуре они были подвешены на 3-уровневой композиции из предметных стекол. На втором уровне для удержания волокон использовали двухсто роннюю ленту, позволяющую растянуть волокно на нижнем предметном стекле.
Отверждение эпоксидной смолы. На каждое волокно две капли эпоксид ной смолы наносили как можно ближе к двухсторонней ленте, на которой это волокно было помещено. Эпоксидная двухкомпонентная смола Magnolia 6371, наносимая на волокно при помощи пинцетов, образовала сферические капельки размером около 0,5 мм на каждом конце волокна. Первоначально эпоксидную смолу отверждали 75—90 мин, размещая в двух дюймах над поверхностью кипящей воды, а затем ее помещали в печь на 15—20 мин при температуре 68 °С для окончательного отверждения [5]. Было обнаружено, что качество эпоксидных капелек было выше в том слу чае, если смолу смешивали, наносили и отверждали в течение короткого промежутка времени (в течение одного дня). Затем "свежие" эпоксидные ка пельки отверждали над кипящей водой в течение 90— 120 мин без использо вания печи. Было обнаружено, что такая методика уменьшала число случаев проскальзывания в эпоксидной смоле и возможность появления дефектов в стенке волокна перед испытаниями.
Калибровка и испытания. Каждый день, перед испытаниями, датчик пе ремещений калибровали для проверки соответствия его измерений показа ниями LabView. Это осуществлялось при помощи алюминиевой вставки фиксированной длины, помещаемой между двумя монтажными вилками и соединенной с микрометром и датчиком. В случае успешной калибровки один оборот микрометра соответствовал перемещению 50 мкм в LabView.
