Geum.ru

Влияние структуры целлюлозно-бумажных материалов на их деформационные и прочностные свойства 05. 21. 03 Технология и оборудования химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Вид материалаАвтореферат

Содержание


Краткое содержание работы
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Введение. Обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы и задачи, подлежащие решению, указаны положения, выносимые на защиту.

Обзор литературы. Дана краткая характеристика особенностей структуры целлюлозно-бумажных материалов. Рассмотрены подходы и методы, использующиеся для оценки микро- и макроструктуры бумаги. Представлены сведения о существовании взаимосвязи структуры бумаги с ее физико-механическими свойствами, и отмечено, что отсутствуют данные о количественных выражениях этой связи. Показано, что качество структуры бумаги и ее физико-механические свойства оцениваются множеством структурных, физических, деформационных и прочностных характеристик, на которые технологические факторы влияют избирательно. Отмечено, что для прогнозирования деформационных и прочностных характеристик бумаги и картона требуется информация о характеристиках микро- и макроструктуры и применение статистических методов с привлечением множественного корреляционного и регрессионного анализа, что обусловливает необходимость данного исследования

Методическая часть. В работе использовались образцы хвойной (ХБ-1) и лиственной (ЛС-1) сульфатной беленой целлюлозы, образцы писчей и офисной бумаги, картона для плоских слоев гофрированного картона различных производителей, марок и масс 1 м2.

Оценку структурно-ориентационного состояния волокон в образцах лабораторного изготовления проводили с помощью усовершенствованной методики, включающей оригинальное специально разработанное на кафедре технологии ЦБП Архангельского ГТУ программное обеспечение «Fiber Tester»1. Качество формования оценивали с помощью оптического анализатора просвета «АНФОР 02-2». Для определения физико-механических свойств образцов бумаги и картона применяли как стандартные, так и оригинальные методы испытания, в том числе метод комплексной оценки механического поведения испытуемого материала при приложении растягивающей нагрузки; определение жесткости при изгибе в соответствии с ГОСТ ИСО 2493-96; метод испытания на трещиностойкость в соответствии со стандартом SCAN – P 77:95. Использованы методы статистической обработки, корреляционного и регрессионного анализа. Все математические расчеты выполнены на ЭВМ.

Экспериментальная часть состоит из 6 разделов.


1 Количественная оценка микроструктуры бумажного листа


1.1 Количественная оценка структурно-ориентационного состояния волокон в плоскости бумажного листа


Для решения данной задачи была проведена количественная оценка геометрии отдельных волокон в лабораторном листе бумаги различной композиции. Использованы характеристики: длина волокна l, мм, фактор формы f, отражающий степень искривлённости волокна, угол ориентации к определяющему направлению , , и траектория его расположения в плоскости листа.

Эксперимент проведен на лабораторных отливках из беленой хвойной и лиственной сульфатной целлюлозы со степенью помола 13, 18, 30 и 60 ШР, содержащие окрашенные волокна в количестве 0,5 % по массе волокна. Полученные на цветном сканере изображения отливок обрабатывали с помощью программы «Fiber Tester». Для каждого окрашенного волокна определены его длина, фактор формы, угол ориентации к определяющему направлению и отслежена траектория его расположения в плоскости листа. На рисунке 1 представлены примеры полученных изображений волокон с различной степенью искривленности.


а
б

Рисунок 1 – Форма некоторых целлюлозных волокон по результатам визуального анализа: а – лиственных; б – хвойных

Для полного описания структурно-ориентационного состояния была получена информация о виде и параметрах распределения характеристик волокон. На рисунке 2 представлены частотные гистограммы распределения длины волокна образцов целлюлозы и наложенные на них кривые нормального и логнормального распределения лиственных и хвойных волокон со степенью помола 30 ШР.





а
б

Рисунок 2 – Гистограммы распределения величины длины целлюлозных волокон с наложенными кривыми нормального и логнормального распределения: а – лиственные 30 ШР, б – хвойные 30 ШР

Проверка статистической гипотезы о принадлежности выборки данных к тому или иному распределению по критерию 2 (Пирсона) показала, что экспериментальные данные для длины волокна не противоречат гипотезе о принадлежности выборки к логнормальному распределению. Использование данного распределения и параметров, определенных для него (таблица 1), позволяют дать не только дать полную количественную оценку состояния волокон, но и возможность прогнозировать фракционный состав лиственной и хвойной целлюлозы.

Анализ кривизны волокон показал, что большинство волокон имеют фактор формы свыше 0,9, то есть их форма близка к прямолинейной. В связи со специфичным видом гистограммы распределения фактора формы f, при оценке параметров распределения вместо фактора формы использовали параметр кривизна волокна (Kr), который определяется как 1–f. Примеры гистограмм распределения, оценивающих кривизну волокон, представлены на рисунке 3. Вид гистограмм и оценка критерия согласия 2 позволяют утверждать, что распределение величины кривизны волокон подходит для описания с помощью экспоненциального распределения. Значения параметра  экспоненциального распределения кривизны волокон определены для лабораторных отливок хвойной и лиственной целлюлозы со степенью помола от 13 до 60 ШР (таблица 1).


а
б

Рисунок 3 – Гистограммы распределения величины кривизны целлюлозных волокон:

а – лиственные 30 ШР, б – хвойные 30 ШР


Таблица 1 – Параметры логнормального и экспоненциального распределения для длины и кривизны волокна соответственно

Параметры

распределения
Длина волокна
Кривизна волокна

2


x
2


СП, ШР
Лиственная целлюлоза

13
2,60
0,25
0,20
1,62
13,34

18
2,50
0,04
0,22
2,70
22,05

30
2,12
0,04
0,25
0,57
17,91

60
3,84
-0,07
0,20
5,79
18,19

СП, ШР
Хвойная целлюлоза

13
0,71
0,86
0,42
2,44
5,69

18
1,82
0,67
0,43
0,90
13,58

30
3,95
0,64
0,49
2,39
14,84

60
6,80
0,40
0,42
1,37
14,65


Анализ данных показал, что размол целлюлозы приводит не только к закономерному уменьшению длины волокна, но и к увеличению значения фактора формы, то есть к меньшему искривлению волокон в структуре лабораторной отливки.

Поскольку анализировались неориентированные лабораторные отливки ввиду невозможности изготовления образцов с ориентированными волокнами, для количественной оценки распределения угла ориентации отдельных волокон воспользовались данными литературы. Принято, что угол ориентации отдельных волокон подчиняется нормальному распределению, а параметры распределения зависят от степени преимущественной ориентации волокон в машинном направлении (анизотропии) и направления вырезания образца из рулона бумаги.

Важное знание для количественного описания имеет не только общая кривизна, но и траектория расположения волокон. Зависимости для математического описания траектории волокон получены путем аппроксимации формы волокна линиями регрессии (рисунок 4). Обнаружено, что можно ограничиться полиномом третьей степени, поскольку для большинства волокон коэффициент R2, характеризующий достоверность аппроксимации, составляет более 0,9.


а
б

Рисунок 4 – Линии регрессии для траектории расположения некоторых целлюлозных
волокон: а – лиственных; б – хвойных

Для части волокон аппроксимация полиномом даёт неудовлетворительный результат из-за не функциональности зависимости. Поэтому для моделирования формы волокон более перспективным считаем использование параметрически задаваемых кривых Безье третьего порядка.


1.2 Оценка изменения структурно-ориентационного состояния волокон в бумажном листе в z-направлении


Условия формования листа на одной сетке не позволяют получить материал, изотропный в направлении перпендикулярном плоскости листа бумаги (в z-направлении). Для количественной оценки анизотропии использовали лабораторные отливки из хвойной сульфатной беленой целлюлозы со степенью помола 30˚ШР и массой 150 г/м2, содержащие окрашенные волокна, разделяли по слоям с помощью скотча. Изображения каждого слоя волокон обрабатывали с помощью программы «Fiber Tester».

Статистическая обработка результатов анализа по каждому из 50 слоёв подтвердила существование различий во фракционном составе волокон, коэффициент вариации для средней длины волокна составляет около 15 %. В меньшей степени варьируется величина фактора формы, что связано с большим количеством коротких волокон, кривизна которых минимальна.





а
б

Рисунок 5 – Изменение величин характеристик волокна по толщине листа: а – экспериментальные данные для средней длины волокна, б – общий вид зависимостей