16. Механическая прочность и способы её контроля

Прочность бумаги зависит: 1) от сил сцепления волокон между собой; 2) от прочности самих волокон; 3) от ориентации волокон в бумаге.

Современная теория объясняет наличие сил сцепления волокон между собой разными факторами. Основной вклад в прочностные свойства, как считает ряд авторов, вносят водородные связи. Эти связи образуются между гидроксильными группами макромолекул целлюлозы при ее высушивании. Чем полнее при высушивании удаляется вода, тем больше гидроксильных групп целлюлозы способны образовывать водородные связи и тем прочнее становится бумага. Количество контактов между волокнами для неразмолотой целлюлозы составляет 20 % , а для размолотой эта величина может доходить до 90 %. Увеличение количества контактов ведет к росту числа водородных связей, участвующих в образовании прочностных свойств. Эти данные подтверждаются изменением прочности бумаги в зависимости от степени помола. Переходя от молекулярного уровня объяснения к химико-физическому, надо отметить, что целлюлоза, полностью освобожденная от гемицеллюлоз, обладает чрезвычайно низкой прочностью. Очевидно, что важным носителем водородных связей в целлюлозе являются гемицеллюлозы, которые способны набухать в воде и образовывать «склейки» после высушивания.

О прочности растительных волокон можно косвенно судить по так называемой нулевой разрывной длине. Для ее измерения зажимы специальной разрывной машины сближаются до величины порядка 0,2 мм (условный нуль). Принято считать, что величина разрывной нагрузки в значительной степени характеризует прочность индивидуальных волокон. Если сравнить разрывное усилие, необходимое для разрыва бумаги при определении нулевой разрывной длины, с такой же величиной, измеренной при расстоянии между зажимами, равном 100 мм, то окажется, что величина усилия в последнем случае в 2- ; 7 раз ниже. Это и понятно, так как в первом случае разрывное усилие будет зависеть в основном от прочности индивидуальных волокон, а во втором определяться прочностью межволоконных сил волокна в листе. Нулевая разрывная длина лишь приблизительно характеризует прочность собственно индивидуального волокна, так как истинная прочность волокна обычно в 3 раза выше. Прочность индивидуального растительного волокна составляет 400-1000 МПа, что вполне сопоставимо с прочностью стали. Анализ прочностных свойств бумаги показывает, что прочность индивидуального волокна играет второстепенную роль, так как разрыв бумаги происходит по наиболее слабым местам, обусловленным межволоконными связями.

На практике для характеристики прочности бумаги используется ряд показателей: разрывная длина, относительное удлинение, сопротивление продавливанию, сопротивление раздиранию, сопротивление излому.

Разрывная длина бумаги является косвенным показателем меха­нической прочности, величиной, под которой понимают расчетную длину полоски бумаги, которая, будучи подвешенной за один конец, разорвется под действием собственного веса. Единицей измерения разрывной длины является метр. Для определения, разрывной длины полоску бумаги закрепляют в зажимах разрывной машины и определяют усилие, при котором произошел разрыв бумаги. По специальной формуле производят пересчет разрывного усилия в разрывную длину. Обычные значения разрывной длины для печатных видов бумаги составляют 200–3500 м.

При практическом применении бумага подвергается нагрузкам, которые не превосходят ее разрывную длину. Представляется важным дать характеристику бумаги до разрыва. Таким показателем является удлинение бумаги до разрыва (растяжимость). Этот показатель важен для рулонной бумаги, которая эксплуатируется в процессе печатания в режиме натяжения. Увеличение растяжимости бумаги зачастую более важно, чем повышение показателя разрывной длины. Повышение растяжимости бумаги способствует уменьшению обрывности. Единственным способом увеличения растяжимости является поддержание влажности на уровне выше 6 %. Особенно актуальным является наличие достаточной растяжимости для газетной бумаги, печатающейся на скоростных машинах. Нормами стандарта влажность газетной бумаги регламентируется поддерживать на уровне 8 и более процентов.

Показатель сопротивление излому определяется на полоске бумаги стандартной ширины при ее натяжении силой в один килограмм. Образец бумаги, закрепленный в зажимах, перегибается вперед-назад (один двойной перегиб) с определенной скоростью. Величина сопротивления излому измеряется в количестве двойных перегибов. Обычно сопротивление излому для печатных бумаг невелико и по нормам стандарта в большинстве не превышает 10 двойных перегибов.

Сопротивление раздиранию характеризуется силой, вызывающей раздирание предварительно надрезанной по кромке бумаги до определенной ее длины. Для печатных видов бумаги этот показатель используется только в стандарте на газетную бумагу. Близким по сущности является показатель сопротивления надрыву кромки листа. Он характеризуется силой, которую надо приложить, чтобы разорвать кромку бумаги. Для его определения испытуемый образец закрепляют в зажимах разрывной машины с перекосом. При таком способе зажима образца бумаги разрыв происходит за счет надрыва. Сопротивление надрыву важно для полиграфического картона, используемого для изготовления игральных карт. Сопротивление продавливанию характеризует прочность бумаги усилию, направленному перпендикулярно ее поверхности. Для печатных видов бумаги этот показатель не нормируется.