Технология производства бумаги и картона. Методические указания к лабораторным работам

Лабораторная работа 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОЛЬНОСТИ БУМАГИ

Цель работы: Определение содержания сухого вещества в навеске.

Оборудование и материалы: навеска бумаги, бюксы, сушильный шкаф, эксикатор, аналитические весы, муфельная печь, фарфоровые тигли.

2.1. Общие сведения

Под зольностью бумаги понимают неорганические, несжигаемые и нелетучие компоненты различного происхождения. Источником этих компонентов является прежде всего само растительное волокно, клетки которого содержат определенные количества солей, главным образом кальция и магния из варочной (H2CO3), кремневой (H2SiO3) и щавелевой кислот [(СООН)2x2H2O]. Средние показатели зольности различных видов целлюлозы и древесной массы приведены в табл. 2.1.

Другим источником являются вводимые в бумажную массу для различных целей добавки сернокислого глинозема [AL2(SO4)3 x 18Н2О], значительное количество которого, удерживаемое волокном, повышает зольность бумаги на 1 % и более. Однако наибольшую зольность придают бумаге наполнители неорганического происхождения. Исключение составляют специальные виды бумаги из минерального волокнистого материала (например, асбеста, стекла).

Таблица 2.1 Средние показатели зольности различных видов целлюлозы

и древесной массы

11

бумаге наполнителя. Но при этом не учитывается, что волокна не сгорают без остатка и в процессе озоления пробы происходят некоторые потери содержащегося в бумаге наполнителя, величина которых зависит от типа наполнителя, а также потерь в кристаллической воде или улетучивающейся углекислоте. Так как потери наполнителя при прокаливании (например, в случае с тальком составляют 4-6 %, каолином 6-12 %, необожженным гипсом 20 % и мелом около 40 %) почти полностью компенсируются золой обугленного волокна, то принято считать, что зольность утяжеленных бумаг может служить примерным показателем содержания наполнителя в бумаге.

2.2.Порядок проведения работы

1.Берут навеску около 2 г воздушно-сухой бумаги в виде небольших полосок, нарезанных из разных мест образца.

2.Фарфоровый тигель с крышкой прокаливают в муфельной печи при стандартной температуре 575 ± 25 °С или другой заданной температуре до постоянной массы.

3.Помещают навеску в прокалённый и взвешенный фарфоровый тигель, сжигают при температуре 300 °С и прокаливают не менее 1 ч в муфельной печи при 800 °С до постоянного веса.

4.Тигель извлекают из муфельной печи щипцами, закрывают крышку и дают немного остыть, поместив на несгораемую подставку (1-2 мин), после чего переносят в эксикатор. После охлаждения в эксикаторе (30-40 мин) тигель с золой взвешивают и продолжают прокаливание до достижения постоянной массы (разница двух взвешиваний не более 0,002

г).

Массовую долю золы (зольность) в процентах рассчитывают по формуле

где A – вес золы, г; m – вес навески воздушно-сухой бумаги, г; W – влажность навески воздушно-сухой бумаги, %.

12

Контрольные вопросы

1.Назовите источники происхождения неорганических компонентов в бумаге?

2.Объясните различие между понятием зольность и содержание наполнителя.

3.Какие наполнители неорганического происхождения чаще всего применяются при производстве бумаги?

Лабораторная работа 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БУМАГИ И КАРТОНА

Цель работы: Определение массы 1 м2, толщины, плотности и удельного объёма.

Оборудование и материалы: стопка бумаги (картона),

микрометр, толщиномер, аналитические весы.

3.1 Общие сведения

Качественные показатели готовой бумаги определяют по средней пробе, отбираемой из разных партий поставляемой продукции. Согласно существующим определениям каждая поставка может состоять из одной или нескольких партий бумаги одного сорта в однотипной упаковке (рулоне, стопе, кипе, пакете). Из каждой однотипной упаковки данной партии бумаги, картона или папки отбирают один лист, который служит для приготовления пробных образцов определенного размера и формата.

Среднюю пробу определяют на основе нескольких отдельных проб. В соответствии с этим перед испытанием из каждой партии отбирается определенное число упаковок, а из них – необходимое количество листов. Из этих листов нарезают пробные образцы, подвергаемые испытанию в соответствии с методикой, предусмотренной стандартом. Отбор пробных листов, число которых должно составлять не менее 25, производится согласно общему количеству упакованных единиц в партии.

Пробные образцы приготавливают в соответствии со следующими рекомендациями. Отобранные из товарных единиц листы

13

нарезают на образцы форматом А3 (297х420 мм). На такой же формат нарезают образцы рулонной бумаги по ширине полотна на расстоянии 40 см друг от друга. Сторона длиной 420 мм должна быть расположена

впродольном направлении. Необходимо, чтобы пробные образцы не имели морщин и узелков и были защищены от прямого воздействия солнечных лучей, жидкостей и других вредных сред.

Отбор проб предусматривает определение долевого и поперечного направлений бумаги, а также ее сеточной и суконной сторон. При машинном способе изготовления бумаги волокна располагаются преимущественно параллельно направлению движения бумажного полотна, т. е. в направлении движения сетки. Это придает бумаге различную степень прочности в продольном и поперечном направлениях. Благодаря положению волокон бумага характеризуется

впродольном направлении повышенными показателями механической прочности и жесткости, но небольшой способностью к удлинению. Преимущественно параллельное расположение волокон увеличивает склонность бумаги к набуханию и удлинению в поперечном направлении. При увлажнении это проявляется в образовании волнистости на краях бумаги.

Для целей переработки необходимо указывать продольное

14

различают поперечное и долевое направления бумаги. В первом случае продольное направление расположено параллельно короткой стороне листа, а во втором параллельно его длинной стороне (рис. 3.1). При испытании бумаги, нарезаемой из листа полосками, необходимо знать оба эти направления. В результате одностороннего увлажнения образец бумаги в виде кружка или игральной карты скручивается, образуя цилиндр, ось которого параллельна продольному направлению.

Ориентацию направлений можно также определить по замоченным в воде на глубину 1 см обеих сторон испытуемого листа бумаги. В этом случае гладкий край соответствует поперечному, а волнистый продольному направлению бумаги.

Существуют и другие способы ориентации волокон. Например, нарезанные из листа бумаги в обоих направлениях две полоски накладывают друг на друга и зажимают с одного конца двумя пальцами. При этом свободные концы обеих полосок начнут изгибаться. Полоска, вырезанная в продольном направлении, характеризуясь большей жесткостью, имеет меньший угол изгиба, чем полоска, вырезанная в поперечном направлении.

Применяются и другие способы, например раздирание образца бумаги любого размера во взаимно перпендикулярных направлениях. Кромка разрыва в продольном направлении окажется почти ровной, а в поперечном – с отклонением от своего направления из-за большого сопротивления (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Испытание образца бумаги на надрыв

При испытании образца на сопротивление продавливанию наиболее длинная линия разрыва пролегает под прямым углом к продольному направлению (рис. 3.3).

15

В ряде случаев суконная и сеточная стороны бумаги испытываются раздельно, что и предполагает соответствующую подготовку образцов. Почти все виды бумаги машинной гладкости характеризуются двусторонностью, что обусловлено работой бумагоделательной машины. Сторона бумаги, прилегающая к сукну, имеет более сомкнутую и гладкую поверхность. Различить стороны у каландрированной

бумаги затруднительно. Оборотную сторону бумаги машинной гладкости часто легко определить по сеточной маркировке или после увлажнения водой и слабым раствором соды. В этом случае волокна, набухая, снимают сглаживающее действие каландра.

Бумага состоит преимущественно из гигроскопических волокон растительного происхождения. Таким образом, влагосодержание этих волокон находится в равновесном состоянии с влажностью окружающего воздуха, т. е. либо они вбирают в себя воду из воздуха, если он влажен (адсорбция), либо отдают ее последнему, если он сух (десорбция). Этот процесс продолжается до тех пор, пока не устанавливаются равновесная влажность, соответствующая температуре и относительной влажности окружающего воздуха.

Согласно стандарту нормальными климатическими условиями при проведении испытаний следует считать: температуру 20±1 °С, относительную влажность воздуха 65±2 %. При равновесной влажности бумаги и картона с окружающим воздухом важно знать, является ли это состояние результатом абсорбции или результатом десорбции. В последнем случае бумага содержит больше влаги. В соответствии с рекомендациями стандарта необходимо, чтобы равновесная влажность в бумаге возникала за счет абсорбции.

Испытываемые образцы после отбора подвешивают, что обеспечивает свободный доступ к ним кондиционированного воздуха со всех сторон до тех пор, пока не установится равновесная влажность. Это достигается при постоянных значениях массы у испытуемых образцов. В условиях хорошей циркуляции воздуха для акклиматизации проб достаточно 4 ч. Несколько больше времени

16

специальной камере (рис. 3.4), в которой с помощью вентилятора улучшается воздухообмен.

При этом поток воздуха пропускается через камеру, которая снабжена лампой накаливания, установленной в цепи контактного термометра, и реле, автоматически поддерживающим постоянную температуру 20 °С. Если температура наружного воздуха более высокая, включается система водяного охлаждения. Для придания воздуху относительной влажности требуемых значений (65 %) в помещении лаборатории устанавливают чаши с насыщенным раствором азотнокислого аммония (NH4NO3), что способствует его увлажнению. Время, в течение которого устанавливается равновесная влажность, сокращается до 10 мин.

Значение, придаваемое кондиционированию при проведении испытаний, становится очевидным из влияния, которое оказывают влажность и температура на механические и физические свойства бумаги. Чтобы контролировать и измерять температуру и относительную влажность воздуха, необходимо иметь некоторое представление об основных физических параметрах и измерительных приборах – термометрах, волосяных гигрометрах и аспирационных психрометрах.

Почти невозможно достигнуть такого положения, чтобы волокна в бумаге распределялись равномерно. Под действием внешних сил

17

(растяжения и давления) в бумаге возникают различные напряжения. Размеры проб оказывают исключительно большое влияние на результаты испытаний, так как с их увеличением возрастает количество слабых мест в бумаге. Это наблюдается при проведении как механических, так и физических испытаний. По этой причине во всех стандартах и технических условиях при описании методики проведения испытаний обязательно указываются размеры проб, которые необходимо точно соблюдать.

Неравномерность структуры бумаги, различный характер воздействия на пробу в процессе испытания, а также ограниченность участка пробы, подвергающегося испытанию, служат причиной разброса результатов, получаемых при проведении экспериментов. Чем однороднее характер бумаги, тем меньше этот разброс данных. Таким образом, в зависимости от типа испытаний соответствующими стандартами обусловливается и число опытов, на основании которых могут быть выведены среднеарифметические (основные) данные.

В результате воздействия внешних сил происходит деформация бумажного листа, так как он лишь частично заполнен волокном и химическими вспомогательными веществами. Под этим явлением обозначается пластичность структуры бумаги. Ввиду этого с увеличением длительности испытания снижаются показатели механической прочности испытываемого образца. Этот фактор особенно проявляется при определении таких показателей механической прочности, как сопротивление продавливанию и растяжению. Так, с ускорением испытания уменьшается опасность разрыва находящихся в зацеплении волокон. Из этих соображений в соответствующих стандартах даются точные указания длительности проведения испытаний.

Физические свойства бумаги и картона позволяют судить об их механической прочности. Механические свойства бумаги (сопротивление растяжению, продавливанию, раздиранию, излому) определяются соответствующими условиями испытаний под воздействием нагрузок. Так как при взвешивании бумага также испытывает противодействие силы тяжести, то и определение такого показателя, как масса 1 м2, относят к механическим испытаниям (как и определение толщины), что производится при заданном давлении микрометра.

Показатель массы 1 м2 бумаги (г/м2), вычисляется по следующей формуле:

18

где р – плотность, кг/дм3; S – толщина, мм; 1000 – поправочный коэффициент.

Удельный объем представляет собой величину, обратную плотности, и выражается как объем на единицу массы:

Удельный объем не указывают в размерностях. Результат обозначается «кратностью». Например: плотные печатные бумаги характеризуются 1,5; 2 или 3 кратным объемом.

Эти характеристики даются при определении понятий бумага, картон и папка. Нельзя провести четкой грани между приведенными тремя видами изделий только по показателю массы 1 м2, особенно когда речь идет о толстых бумагах и тонких картонах или о толстых картонах и тонких папках. Для примерного определения используются соотношения между массой 1 м2, толщиной и плотностью.

В переходных областях, которые согласно Клемму являются неопределенными, волокнистый материал может быть отнесен к картону, когда он при меньшей плотности и одной и той же массе 1 м2 характеризуется большей толщиной. В условиях более высокой плотности материал тоньше, а при той же массе 1 м2 может быть скорее отнесен к бумаге.

Объемная масса определяется в диапазоне 0,30-1,35 кг/дм3. Это позволяет судить о характере материала – является ли он пухлым, слабо связанным (например, промокательная бумага) или плотным, каландрированным (например, пергамин). Плотность, позволяющая делать заключения о таких свойствах бумаги, как звонкость и жесткость, в свою очередь зависит от степени помола массы,

19

содержания наполнителя, степени обезвоживания в мокрой части бумагоделательной машины и величины линейного давления между валами каландра. По объемной массе можно судить о плотности прилегания волокон. Ее рассчитывают с точностью до 0,005 кг/дм3.

3.2.Порядок проведения работы

1.Для испытаний берут десять образцов формата А3, которые

затем акклиматизируются. Площадь образца замеряют с точностью до 0,1 см2. (Для испытания можно применять образцы форматом менее А3, однако их площадь должна быть не менее 500 мм2).

2.Затем образцы взвешивают с точностью ± 0,5 %. Для определения массы 1 м2 используют квадрантные весы, позволяющие получить непосредственный отсчет показаний, г/м2. Результатами

испытаний следует считать среднеарифметический показатель десяти измерений с учетом указанной ниже точности: при массе 1 м2 до 25 г/м2 три цифры, от 26 до 99 г/м2 две цифры, от 100 до 999 – три и более 1000 г/м2 четыре цифры.

до 0,05 мм вырезают образцы форматом 200x250 мм, образующие четыре одинаковые стопки, каждая из которых состоит не менее чем из пяти листов. Образцы укладываются сеточной стороной кверху. Как показано на рис. 3.5, измерения проводят в каждой из заштрихованных точек испытуемого образца. Таким образом, общее число измерений в данном случае составляет 20, а за показатель толщины принимают среднее арифметическое всех проведенных измерений.

20