книги из ГПНТБ / Сушкова Н.Д. Бумажные мешки. Производство, свойства и применение мешочной бумаги и мешков

включающий модули упругости параллельной и последовательной пружин (рис. 3, а). Изменение статического модуля упругости Е\ характеризуется при тех же условиях некоторой областью раз­

Влияние реологических параметров бумаги на прочность меш­ ков при изменении массы 1 м2 и влажности не идентично: проч­ ность мешков и реологические параметры изменяются пропорцио­ нально массе 1 м2, но при повышении влажности, несмотря на сни­ жение всех реологических параметров (особенно динамического модуля упругости), прочность мешков сначала возрастает до мак­ симума, соответствующего влажности бумаги 12—14%, а затем падает [9]. Из этого следует, что на прочность мешков существенно влияют не только реологические, но и другие свойства бумаги.

Значения основных реологических параметров мешочной бу­

от исходного состава сырья и характера его обработки, но и от условий работы бумагоделательной машины. Преимущественная ориентация волокон вдоль полотна бумаги сопровождается повы­ шением упругости вдоль и увеличением Пластичности поперек листа. Кромки бумаги отличаются от середины полотна большей необратимостью свойств. С увеличением натяжения на бумагоде­ лательной машине снижается способность бумаги к удлинению. Минимальное удлинение наблюдается у мешочной бумаги одно­ сторонней гладкости, высушенной на большом цилиндре, препят­ ствующем усадке. Сушка на воздухе под натяжением обеспечивает

получение бумаги с максимальным удлинением в поперечном на­ правлении.

Изменения, внесенные в последние годы в конструкцию бумаго­ делательных машин с учетом реологии бумаги, позволили резко улучшить динамическую прочность мешочной бумаги за счет по­ вышения ее удлинения. Тем не менее значения реологических па­ раметров бумаги подлежат уточнению при непременном совершен­ ствовании механической модели и методики испытания.

Сопротивление разрыву, удлинение и работа на разрыв. Проч­ ность бумажного листа, как известно, зависит от прочности цел­ люлозных волокон и связи между ними. В процессе размола во­ локна укорачиваются, гидратируются и силы связи между ними увеличиваются. Увеличению прочности связей между волокнами способствуют также прессование и сушка бумаги, хотя и в мень­ шей степени, чем размол.

Сопротивление разрыву отдельных волокон целлюлозы из раз­ ных пород древесины достигает 40—70 кгс/мм2, что соответствует разрывной длине 35—55 км [11]. Так как разрывная длина боль­

10

шинства видов бумаги значительно ниже указанной величины, при­ нято считать, что при разрыве бумаги повреждаются главным обра­ зом межволоконные связи и лишь 10—20% волокон.

Силы связи в бумажном листе подразделяются на три основ­ ных вида: механические силы трения между волокнами, силы межмолекулярного электромагнитного взаимодействия (силы ван дер Ваальса) и водородные силы связи типа ОН •••О.

Водородная связь возникает между атомами на расстоянии 2,55—2,75 А, а силы ван дер Ваальса проявляются на расстоянии 3—5 А между полярными и неполярными группами макромолекул целлюлозы. Энергия этих сил связи составляет соответственно 3— 8 ккал/моль и 1—2 ккал/моль [12, с. 43—65].

По данным С. Н. Иванова [12, с. 48—50], прочность связей в листе из неразмолотой целлюлозы не превышает 1 кгс/см2. После

мешков. Однако одного показателя разрывной длины для оценки качества бумаги оказалось недостаточно.

Ф. Бургшталлер и Р. А. Краус [13] рекомендовали оценивать качество бумаги в первую очередь по ее способности поглощать энергию при растяжении до разрыва. Энергия, поглощенная по­ лоской бумаги, измеряется обычно на динамометре, снабженном регистрирующим устройством. Растягивающее усилие и величина удлинения вплоть до разрыва фиксируются в виде диаграммы нагрузка—удлинение (рис. 6). Площадь, ограниченная проведен­ ной кривой и осью абсцисс на этой диаграмме, представляет собой

И

образцов мешочной бумаги в машинном направлении заставляют отдавать предпочтение непосредственному измерению работы раз­ рыва по площади диаграммы [14]. Влияние работы разрыва бумаги на прочность бумажных мешков особенно наглядно проявляется при сопоставлении бумаги нормального формирования с легко- и микрокрепированной бумагой. Несмотря на снижение разрывного усилия после крепирования бумаги, площадь диаграммы (работа разрыва) значительно увеличивается благодаря повышению удли­ нения бумаги вдоль полотна (см. рис. 6). В поперечном направле­

лие Р и работа разрыва А мешочной и упаковочной бумаги увели­ чиваются по экспоненциальному закону:

P = b v a; A = dvc,

где а = 0,03-г-0,04 для всех испытанных видов мешочной бумаги, в том числе марки «Clupak» (при размере полосок 100x15 мм)', Ь — разрывной груз при скорости растяжения 1 см/мин\ с = 0,035 н- -^0,050 для всех исследованных видов мешочной бумаги; d — ра­ бота разрыва, определенная в стандартных условиях.

Между прочностью бумаги, определенной в статических и ди­ намических условиях на существующих приборах, Л. Гетшинг вы­ явил взаимосвязь и отметил, что из-за конструктивных недостат­ ков приборов показатели динамической прочности имеют большой разброс. Оптимальным методом испытания бумаги при изменении технологических факторов и конструкций мешков автор считает испытание сбрасыванием (см. с. 119).

И. Пенцкофер [5] рекомендует для испытания мешочной бу­ маги прибор Гриммингера, позволяющий оценивать прочность бу­ маги при статическом и динамическом приложении нагрузки в на­ правлении, перпендикулярном плоскости листа. Установка вклю­ чает свободно падающий по направляющим копер (массой 15 кг), в котором закрепляется образец бумаги диаметром 7,5 см. Бумага разрывается при ударе о шарообразный сегмент диаметром 3,5 см, укрепленный на неподвижном стержне, соединенном с динамомет­ ром. Скорость деформации бумаги 4,4 м/с при высоте падения копра 1 м. Осциллограф регистрирует нагрузку и удлинение во времени в виде диаграммы работы разрыва.

Характер кривых изменения динамической работы разрыва (рис. 7) и разрывного усилия по прибору Гриммингера аналогичен изменению прочности мешков при увеличении влажности бумаги (ср. рис. 5 и 7). Следовательно, биаксиальная динамическая ра­ бота разрыва позволяет предсказывать поведение бумаги в меш­ ках наиболее надежно, с учетом влияния влажности воздуха и изменений структуры бумаги, вызываемых технологическими фак­ торами, например крепированием.

12

М. Джексон и Ж- Гэйвелин [17] выявили, что путем измерения скорости звукового импульса и объемной массы можно оценить

звуковым импульсом, хорошо коррелирует с анизотропией проч­ ности бумаги на разрыв. Так как толщину, массу 1 м2 и скорость распространения звука можно измерять без разрушения бумаги, этот способ является перспективным для оценки качества бумаги непосредственно на бумагоделательной машине.

Сопротивление продавливанию. Сопротивление продавливанию мешочной бумаги колеблется в пределах 2,5—4 кгс/см2 и зависит

M = K 2Pt + Pq ( ь К ) 0-5 Ѵ ч Ц \ -be,)1’5;

для бумаги крепированной, у которой ег> 15%,

13

К сожалению, невозможно рассчитать разрывное усилие л удлинение, даже если известно сопротивление продавливанию.

Сопротивление продавливанию увеличивается пропорционально содержанию лигнина при использовании жесткой целлюлозы. С повышением степени помола сопротивление продавливанию воз­ растает до максимума, а затем снижается.

При увеличении плотности бумаги (за счет прессования) и влажности сопротивление продавливанию уменьшается, а с по­ вышением скорости испытания значение сопротивления продавли­ ванию увеличивается.

С развитием производства целлюлозы высокого выхода роль сопротивления продавливанию бумаги возросла. Но вскоре выяс­ нилось, что, несмотря на увеличение этого показателя, например за счет повышения жесткости целлюлозы, прочность мешков из та­ кого полуфабриката относительно невелика. Кроме того, учитывая невысокую воспроизводимость результатов испытаний, большин­ ство исследователей считают сопротивление продавливанию менее

на продавливание [19].

Сопротивление излому. Сопротивлению излому мешочной бу­ маги всегда уделяли меньше внимания, чем разрывной длине или сопротивлению продавливанию. Отчасти это объясняется недо­ статочной воспроизводимостью результатов, зависящих даже от незначительных колебаний влажности воздуха.

Основными факторами, влияющими на сопротивление излому, являются длина и гибкость волокон. Дж. Бергман и Дж. Реннел

перегибов на 30%. Это, по-видимому, объясняется разрывом от­ дельных волокон до момента полного разрушения листа. Сопро­ тивление излому достигает максимума при 50—60° ШР, но на точку перегиба кривой будет влиять жесткость исходных во­ локон и характер их обработки. В процессе старения бумаги из физико-механических показателей наиболее быстро снижается сопротивление излому.

Несмотря на отдельные высказывания о влиянии сопротивле­ ния излому на прочность мешков [30], удовлетворительной корре­ ляции между этими показателями установить не удалось.

Сопротивление раздиранию. Последнее время к сопротивле­ нию надрыву и раздиранию упаковочных видов бумаги предъяв­ ляются все более высокие требования, что обусловлено возрастаю­ щей скоростью машин и усложняющимися условиями перевозок. Сопротивление надрыву характеризует противодействие бумаги

14

грузку после предварительного повреждения. Это — один из важ­ нейших показателей прочности мешочной бумаги и повышению его величины придается большое значение. Так как при размоле цел­ люлозы, не подвергавшейся высушиванию, сопротивление разди­ ранию неуклонно снижается, прежде предполагалось, что главную роль в этом процессе играет длина волокна. Оказалось, что со­ противление раздиранию зависит не только от работы, необходи­ мой для разрыва волокон, но и от работы, затраченной на вытя­ гивание волокон из листа [21]. По мере повышения степени помола массы число разорванных волокон постепенно увеличивается и мо­ жет достигать 76%, а доля вытянутых волокон падает. Так как энергия,^затрачиваемая на разрыв волокон, меньше энергии, рас­ ходуемой на вытягивание волокон из листа, то сопротивление раз­ диранию снижается.

X. Гиртц и Т. Хелле [21] пришли к выводу, что сопротивление раздиранию зависит больше от прочности, чем от длины волокон,

без натяжения, сопротивление раздиранию практически не зависит от степени помола массы. Это объясняется повышенным удлине­ нием бумаги за счет возникновения дополнительных сил связи при свободной усадке по сравнению с обычной мешочной бумагой, высушенной на поверхности цилиндров. Более высокое сопротивле­ ние раздиранию обнаружено также у микрокрепированной бумаги благодаря значительному увеличению удлинения в машинном на­ правлении.

С. Р. Парсонс [22] установил, что при увеличении сил связей в, бумаге сопротивление раздиранию сначала возрастает, а затем снижается и что чем короче длина волокна, тем выше теорети­ ческое значение критической силы связи. С. Н. Иванов и И. Г. Ле­ щенко [23] считают оптимальной силу связи 6 кгс/см2.

Ф. Вангаард и Д. Уильямс [24] обнаружили, что при использо­ вании лиственной целлюлозы максимальное сопротивление раз­ диранию наблюдается при разной объемной массе в зависимости от длины волокон: чем короче волокно, тем выше допускается объемная масса у, но если у = 0,68 г/см3, то сопротивление раз­ диранию не зависит от длины волокон.

Высокое сопротивление раздиранию достигается при использо­ вании древесины лиственницы, но остальные показатели бумаги и прочность мешков получаются гораздо ниже, чем при употребле­ нии целлюлозы из сосны. X. Гиртц и Т. Хелле [21] отмечают, что сопротивление раздиранию и разрывная длина бумаги связаны между собой обратной прямолинейной зависимостью.

В тех случаях, когда имеется резерв разрывной длины, а со­ противление раздиранию ниже предъявляемых требований, В. Суревич с соавторами [25] рекомендуют для увеличения, сопро­ тивления раздиранию без ущерба для других свойств бумаги часть целлюлозы размалывать в дисковой мельнице незначительно

15

(до 15° ШР) и смешивать ее с остальной целлюлозой, подвергну­ той размолу до 25—28° ШР.

Сопротивление раздиранию удается повысить также при ис­ пользовании добавок в массу, повышающих степень помола и по­ зволяющих применять менее размолотую целлюлозу [19, с. 226]. Попытки увязать сопротивление раздиранию с другими свойствами бумаги предпринимались неоднократно. Т. Нерихлевский [26] пред­ ложил оценивать мешочную бумагу по сопротивлению растрески­ ванию, рассчитываемйму по формуле

К = = Ѵ # Щ ,

где R — сопротивление раздиранию, гс\ М — сопротивление продавливанию, гс/см2-, q — масса 1 м2 бумаги, г.

У. Э. Карлсон [27] рекомендует предопределять прочность бу­ мажных мешков по уравнению

N = K x+ ^ P b+ K 2R + C ,

где К\ и Кг — постоянные коэффициенты; Р, г — разрывное усилие

ний о прочности бумаги.

Л. Гетшинг [16] установил, что произведение работы разрыва по аппарату типа «Инстрон» и сопротивления раздиранию по Эльмендорфу прямо пропорционально работе на пробой по Эйху и, следовательно, пропорционально прочности мешков.

Факторы, вызывающие снижение сопротивления раздиранию, следующие: использование целлюлозы повышенного выхода; при­ менение целлюлозы из лиственных пород древесины взамен хвой­ ной; слишком интенсивный размол массы при низкой концентра­ ции; сильное прессование и каландрирование бумаги; снижение влажности бумаги; введение в массу химикатов с крупными ча­ стицами, затрудняющими образование связей между волокнами.

Повысить сопротивление раздиранию можно использованием равномерно сваренной целлюлозы из древесины хвойных пород; осторожным размолом ее на дисковых мельницах при высокой концентрации; применением листоотливного устройства типа вертиформа; сушкой бумаги на воздушной подушке в установках Флект-фабрикен; микрокрепированием бумаги.

ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПРОЧНОСТЬ БУМАГИ

В зависимости от влажности и температуры окружающей среды бумага приобретает равновесную влажность, величина ко­ торой обусловлена составом использованного сырья и техноло­ гией производства. Основное количество влаги поглощается бума­ гой в первые 2—3 ч, но время установления равновесной влажности может достигать 48—-72 ч, в зависимости от условий циркуляции

16

воздуха, начального содержания воды в бумаге, ее химического состава и структуры. Повышение степени помола и объемной массы, введение гидрофобных веществ в массу и поверхностная

обработка бумаги битумом, полиэтиленом замедляют скорость адсорбции.

Адсорбция влаги протекает значительно быстрее, чем десорб­

тивление продавливанию влияет удлинение бумаги, повышающееся при ее увлажнении. Следует отметить более высокий прирост удли­ нения и сопротивления раздиранию в поперечном направлении по сравнению с машинным, что обусловлено различиями в натя­ жении и усадке вдоль и поперек полотна на бумагоделательной машине. Сопротивление излому с увеличением влажности воздуха достигает максимума, а затем снижается. По данным П. Т. Любарца [30], максимум числа двойных перегибов мешочной бумаги соответствует 18% ее влажности.

но, по данным Л. Нордмана и П. Алтонена [29], в связи с гистере­

I ЧИТА Пкн.-ѵ-

по Кобб, удлинение и работа разрыва, а также динамическая прочность мешочной бумаги (по приборам Фрэг-тестер, Бекка и Эйха) изменяются необратимо из-за нарушения структуры бу­ маги.

И. Пенцкофер [5] установил, что существенное различие в по­ ведении бумаги при динамическом и статическом нагружении про-

является лишь при изменении ее влажности. С повышением влаж­ ности окружающей среды разрывное усилие и работа на пробой при биаксиальном испытании бумаги в динамических условиях на аппарате Гриммингера увеличиваются до максимального значе­

18

Г Л А В А II

ТЕХНОЛОГИЯ НЕПРОПИТАННОЙ м е ш о ч н о й б у м а г и

ТРЕБОВАНИЯ К ЦЕЛЛЮЛОЗЕ

Для изготовления мешочной бумаги обычно применяется вы­ сокопрочная сульфатная небеленая целлюлоза, сваренная, как пра­ вило, из хвойных пород древесины и обладающая высокой прочно­ стью. Показатели этой целлюлозы при 60° ШР в виде листов мас­ сой 100 г/м2 характеризуются следующими данными:

Свойства сульфатной целлюлозы предопределяются в первую очередь качеством использованной древесины и технологией варки. Морфологическая характеристика волокна имеет при этом суще­

на разрывную длину и сопротивление продавливанию, но отрица­ тельно сказываются на сопротивлении раздиранию целлюлозы.

Как правило, изменение технологии варки целлюлозы с целью повышения разрывной длины почти прямо пропорционально сни­ жает сопротивление раздиранию.

В. Суревич [25] рекомендует оценивать целлюлозу по числу прочности Z, представляющему собой произведение разрывной длины L (или сопротивления продавливанию) на сопротивление раздиранию R образцов из массы с определенной степенью помола.

Нормальный выход сульфатной целлюлозы для мешочной бу­ маги из балансовой хвойной древесины составляет 48%. При таком выходе в технической целлюлозе содержится 5—6% лигнина и около 10% пентозанов. Повышение выхода до 54% влечет за собой

вается, отсортированная целлюлоза содержит довольно много костры и имеет повышенную щелочность [31]. С увеличением коли­ чества лигнина и непровара разрывное усилие и, главным обра­ зом, сопротивление продавливанию целлюлозы существенно повы­ шаются, а сопротивление раздиранию и особенно сопротивление излому падают.

Отрицательное влияние повышенного выхода обусловлено бо­ лее высокой жесткостью целлюлозы, меньшей удельной внешней