3. Физические свойства бумаги. Анизотропия. Неоднородность структуры бумаги

Бумага обладает свойством анизотропии, т.е. ее свойства, измеренные по трем ее перпендикулярным направлениям, различны. Анизотропия обусловлена, в первую очередь, методами изготовления бумаги, а во вторую—свойствами волокна.

При получении бумага непрерывно движущаяся сетка способствует ориентации волокон в машинном направлении. В машинном направлении прочность бумаги на разрыв выше, чем в поперечном. Относительное удлинение бумаги, наоборот, в поперечном направлении больше, чем в машинном.

Для определения продольного и поперечного направлений бумаги поступают следующим образом. Из испытуемой бумаги вырезают по двум взаимно перпендикулярным направлениям две полоски одинаковой длины и ширины. Складывают их вместе и зажимают с одного конца пальцами. Если полоски будут расходиться, то машинному направлению будет соответствовать верхняя полоска. Если полоски будут лежать друг на друге, то нижняя полоска будет соответствовать машинному направлению.

Анизотропия бумаги проявляется и в других ее свойствах. Так, ели бумажный лист формируется в обычных машинах с горизонтальным односеточным столом, то свойства бумаги со стороны сетки отличаются от свойств со стороны сукна. Это связано с тем, что бумажная масса состоит из волокон неодинаковой длины. Поэтому при отливе наиболее длинные волокна осаждаются в первую очередь. По мере приближения к верхней стороне листа содержание мелочи повышается. Кроме того, сеточная сторона бумаги обычно менее гладкая и пористая.

Для того чтобы отличить сеточную сторону бумаги от лицевой, образец бумаги замачивают в слабом растворе щелочи и через 30 с рассматривают через лупу. Сторона, обращенная к сетке, показывает отчетливый оттиск сетки, противоположная сторона остается гладкой.

Эти отличия практически отсутствуют для бумаги, сформированной на машинах, имеющих две сетки. Если рассмотреть поперечный срез такой бумаги, то окажется, что мелкие волокна собираются у обеих поверхностей, а длинные и наиболее прочные будут находиться в середине листа.

Толщина печатной бумаги не превышает 0,1 мм, а длина волокна целлюлозы примерно в десять-двадцать раз больше. Поэтому если рассмотреть продольный срез поверхности бумаги, то можно заметить, что волокна целлюлозы ориентируются вдоль поверхности листа. Вследствие этого в направлении, перпендикулярном поверхности, бумага имеет свойства, отличающиеся от свойств в продольном направлении.

Простейшая модель бумаги представляет собой беспорядочную сетку из конечных линий, не обладающих шириной или толщиной и лежащих в одной плоскости. Более сложная модель рассматривает бумажный лист как состоящий из плотно уложенных капилляров, расположенных слоями (в 3-5 слоев).

Бумага пронизана системой капилляров. Реальные капилляры в бумаге можно охарактеризовать как открытые сквозные, открытые тупиковые, закрытые, кольцевые. Свойства этих капилляров различны. Так, например, присутствие тупиковых и закрытых капилляров практически не оказывает никакого влияния на впитывание.

Общее представление о физических свойствах бумаги дают такие показатели, как масса метра квадратного, толщина, плотность, пористость, пухлость.

Масса одного квадратного метра, несмотря на свою условность, является величиной, которая характеризует толщину бумаги. В полиграфии применяют бумагу массой метра квадратного 20-200 г и картон - 200-600 г.

С толщиной бумаги связаны такие величины, как прочность и прозрачность. Средняя толщина бумаги составляет 0,1 мм (0,03-0,25 мм), картон имеет толщину до Змм.

Пористость бумаги - важный показатель определяющий многие ее свойства, в т.ч. впитывающую способность по отношению к печатным краскам. Под пористостью понимают объем пор в бумаге, занятых пустотами, к общему объему бумаги. Для определения пористости бумаги необходимо знать ее плотность. Последняя вычисляется по формуле

d = 1000 (g/h),

где d - плотность бумаги, г/см 3; g - масса метра квадратного, г; h - толщина бумаги, мм.

Пористость бумаги вычисляют по формуле

П= 100(1-d/1,5),%

Так, если плотность газетной бумаги 0,6 г/см 3, то 100 (1-0,6/1,5)= = 60 % от объема газетной бумаги приходится на поры.

Пористость бумаги, которая используется в полиграфии, лежит в пределах 15-75 %. Размер пор составляет 0,5-2 мкм.

На пористость бумаги оказывают влияние наполнители. Если частицы наполнителя имеют размеры значительно меньшие, чем размеры волокна, то они заполняют свободный объем и тем самым уменьшают пористость бумаги. В противном случае наполнители повышают пористость бумаги. Так как при получении бумаги происходит совместное осаждение волокна и наполнителя, то при попадании наполнителя в точки контакта волокна последний раздвигает волокна, и поэтому принято считать, что увеличение количества наполнителя увеличивает пористость бумаги. Однако если наполнитель меньшей величины пор, то он проваливается в поры и общая пористость падает. Как правило, бумага с наполнителем является менее пористой, по сравнению с бумагой, в которой наполнитель отсутствует. Только у бумаг с большим содержанием древесной массы увеличение наполнителя приводит к увеличению пористости. Следует специально отметить, что частицы наполнителя имеют неправильную форму и размер много меньше, чем волокна, следовательно, заполняя крупные поры, они сами образуют более мелкие поры.

Пухлость бумаги, называемая также удельным объемом, определяется как величина, обратная плотности бумаги. Например, газетная бумага с плотностью 0,6 г/см3 имеет пухлость 1/0,6 г/см 3=1,7 см /г.