Груздева И.Г. Лабораторный практикум по бумаге. Материаловедение для полиграфистов
Подождите немного. Документ загружается.
Лабораторная работа № 4
Определение зольности бумаги и расчет содержания наполнителя
Цель и содержание работы
Освоение метода определения зольности бумаги и расчета содержания в
ней наполнителя.
Приборы и принадлежности
тигель фарфоровый;
аналитические весы АДВ-200;
муфельная печь МП–2УМ;
эксикатор;
тигельные щипцы.
Методика и порядок выполнения работы
Зольность – это количество золы в процентах, содержащееся в 1 г
абсолютно сухой бумаги. Она определяется при сжигании и прокаливании
бумаги. При этом из бумаги вначале испаряется вода, а затем сгорают
волокнистые материалы, проклеивающие вещества и вообще все компоненты
бумаги органического происхождения. Несгораемый остаток образуется из
минеральных наполнителей – белых неорганических пигментов. Поэтому
зольность является показателем содержания наполнителя в бумаге.
Для определения зольности бумаги на аналитических весах отвешивают 1-
2 г мелко нарезанной бумаги в предварительно прокаленном и взвешенном
тигле. Сжигают навеску в муфельной печи (при открытой дверце) и
прокаливают золу до постоянного веса (при закрытой дверце) в течение
одного часа. Затем тигель вынимают, охлаждают в эксикаторе и вновь
взвешивают. Загружать и выгружать тигель нужно исправными тигельными
щипцами, проявляя особую осторожность.
Содержание и форма отчета
Зольность бумаги рассчитывают по формуле:
З =
бумаги
навески
масса
золы
масса
· 100 =
АБ
AB
· 100 , где
З – зольность бумаги, содержащей определенное количество влаги, %
А – масса пустого тигля, г
Б – масса тигля с бумагой, г
В – масса тигля с золой, г
Показатель зольности заносят в сводную таблицу 1.
Расчет содержания наполнителя. Величина зольности связана с
содержанием наполнителя, но не всегда равна ему. Это объясняется тремя
причинами:
11
1. волокнистый материал (древесная масса) и без наполнителя может
иметь зольность, что связано с содержанием в древесине минеральных
веществ, поэтому небольшая зольность (1-1,5 %) не считается
показателем содержания в бумаге наполнителя;
2. показатель зольности изменяется в зависимости от колебаний
влажности бумаги при постоянном содержании наполнителя;
3. некоторые наполнители разлагаются при прокаливании, так,
наполнитель каолин Al
2
O
3
x 2SiO
2
x 2H
2
O выделяет
кристаллизационную воду. Поэтому масса золы в этом случае будет
меньше массы наполнителя на 14 %.
Примечание: Студенты рассчитывают зольность бумаги и содержание в
ней наполнителя, считая, что наполнителем является каолин.
В рабочий журнал записывают результаты измерений, расчеты и
результаты расчетов с обязательным указанием размерности.
12
Лабораторная работа № 5
Расчет пористости бумаги
Цель и содержание работы
Изучение особенностей структуры бумаги как капиллярно-пористого
материала. Ознакомление с методикой расчета пористости и оценка
структуры бумаги, с которой проводятся исследования. При теоретической
проработке задания студенты изучают способы, применяемые при
производстве бумаги для придания ей требуемой пористости. При этом
основное внимание уделяется усвоению того, какие рабочие свойства бумаги
или картона связаны с их пористостью, какие требования предъявляются к
пористости бумаги различного назначения (например, газетная бумага и
бумага для иллюстрационных изданий).
Методика и порядок выполнения работы
Пористость – это объем пор, содержащихся в 1 см
3
бумаги. Она
определяется расчетным способом:
П=
б
п
V
V
· 100% , где
V
п
– объем пор
V
б
– объем бумаги
Приведенную формулу в развернутом виде можно представить
следующим образом:
П =
%100
б
нвб
V
VVV
, где
V
б
– объем бумаги, см
3
;
V
в
– объем волокнистого материала, см
3
;
V
н
– объем наполнителя, см
3
.
Из этой формулы видно, что расчет пористости производится путем
сопоставления значения плотности бумаги (объемной массы) и плотности
материалов, входящих в состав бумаги (волокнистых материалов и
наполнителя). Волокнистые материалы (целлюлоза, древесная масса и др.)
имеют плотность, примерно равную 1,5 г/см
3
, а плотность бумаги определена
в работе 3. В простейшем случае (когда бумага не содержит наполнителя)
масса листа бумаги равна массе волокнистого материала m
б
=m
в
.
Обычно же бумага содержит наполнитель, объем которого должен
учитываться при расчете пористости. Для этого нужно знать количество
наполнителя, содержащегося в бумаге, знать, какой именно наполнитель и
какова его плотность. В учебной работе принимается, что в бумаге в качестве
13
наполнителя содержится каолин, плотность которого 2,6 г/см
3
. Расчет
пористости ведется для образца массой 100 г. Количество наполнителя (H) в
100 г бумаги определяется по зольности с учетом потери массы при
прокаливании (см. работу 4). Объем наполнителя в 100 г бумаги
определяется по формуле:
V
H
=
6,2
H
, см
3
Объем волокнистого материала в 100 г бумаги:
V
в
=
в
в
d
m
=
5,1
100 H
, см
3
Объем 100 г бумаги: V
б
=
б
d
100
, см
3
Содержание и форма отчета
В рабочий журнал записывают расчеты и результаты расчетов с
обязательным указанием размерности. Производят оценку полученного
результата, учитывая, что пористость обычных видов печатной бумаги
колеблется в пределах от 30 до 65%. Полученный результат заносят в
сводную таблицу 1 и сопоставляют с другими показателями структуры и
свойств бумаги.
14
Лабораторная работа № 6
Определение среднего размера пор (по впитыванию)
Цель и содержание работы
Поскольку пористая структура бумаги, помимо суммарного объема пор,
характеризуется еще и размерами пор, необходимо усвоить, что важнейшие
свойства бумаги и, в первую очередь, впитывающая способность зависят от
размера радиуса пор. Целью работы является ознакомление с методом
определения размера пор бумаги по впитывающей способности и оценка
структуры исследуемой бумаги.
Приборы и принадлежности
прибор Клемма-Винклера В-2;
линейка обычная;
ножницы;
секундомер;
уайт-спирит.
Теоретическое обоснование
Так как поры бумаги не имеют определенной формы и различаются
размерами, то вводится условный показатель – средний радиус пор, который
определяется на основании изучения кинетики впитывания. При этом
капиллярная структура бумаги уподобляется системе правильных
цилиндрических капилляров. Капиллярное давление P, приводящее к
впитыванию, зависит от радиуса капилляров r и молекулярных сил,
проявляющихся через поверхностное натяжение жидкости σ и косинус
краевого угла смачивания cos θ:
P =
r
cos2
(1)
Впитывание уподобляется течению жидкости по капилляру, которое
подчиняется закону Пуазейля:
dt
d
=
l
rP
8
4
, где (2)
dt
d
- объемная скорость течения
η – вязкость жидкости
l
– длина капилляра
Совместное решение уравнений 1 и 2 дает закон Уошборна:
15
2
l
=
2
cos tr
(3)
Этот закон определяет кинетику впитывания под действием капиллярного
давления с учетом вязкого сопротивления течению, где t – время впитывания,
l
– высота впитывания.
Методика и порядок выполнения работы
Испытанию подвергается образец бумаги, вырезанный в машинном
направлении. Полоску бумаги размером 15*250 мм укрепляют в зажиме 3
прибора Клемма-Винклера (рис.4) таким образом, чтобы нижний конец
свисал на 5 мм ниже нулевого деления линейки 4. В ванночку 1 прибора
наливают уайт-спирит в качестве впитывающейся жидкости и стопорным
винтом 2 опускают планку с полоской бумаги и линейкой так, чтобы нулевая
точка линейки оказалась на уровне жидкости. Включают секундомер и
следят за высотой поднятия жидкости по полоске бумаги в зависимости от
времени в течение 20 минут. При этом необходимо строго следить за тем,
чтобы бумага не касалась металлической линейки 4.
Содержание и форма отчета
Результаты наблюдений за кинетикой впитывания уайт-спирита вносятся
в таблицу.
Таблица
Кинетика впитывания
16
Время впитывания, t
мин
Высота поднятия
l
,
мм
2
l
, мм
2
1
5
10
15
20
По полученным данным строят график зависимости
2
l
=
(t),
откладывая на оси абсцисс время, а на оси ординат
2
l
. Получив линейную
зависимость
2
l
=
(t), рассчитывают средний радиус капилляров по
формуле:
r =
t
l
t
l
t
l
27
102
1027
10210
cos
2
62
3
3622
где η=0.001, Па·с – вязкость уайт-спирита
σ =27·10
-3
Н/м – поверхностное натяжение уайт-спирита
t – время поднятия, с
l
– высота поднятия уайт-спирита, мм
cosθ=1 - косинус краевого угла смачивания
r – средний радиус пор, м
Конечный результат следует перевести в микрометры. В этих единицах он
вносится в сводную таблицу 1.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое бумага и из каких компонентов она состоит?
2. Укажите требования к волокнистому материалу для производства
бумаги.
17
3. Какие содержащие целлюлозу волокнистые полуфабрикаты
применяются в производстве бумаги?
4. Чем отличается древесная масса от древесной целлюлозы по
составу, структуре, свойствам?
5. Какие виды древесной массы Вы знаете?
6. Какие виды древесной целлюлозы Вы знаете?
7. Приведите примеры стандартных составов по волокну для
отечественных бумаг.
8. Что такое наполнители и каково их назначение?
9. Какие виды наполнителей Вы знаете?
10.Что такое зольность и как она определяется?
11.Как классифицируется бумага по величине зольности?
12.Введен ли в бумагу наполнитель, если ее зольность составляет
1,7%?
13.Как оценить зольность бумаги, если ее величина составляет 5%?
14.Какое количество наполнителя TiO
2
в бумаге, если ее зольность
составляет 20%?
15.Назовите основные показатели, характеризующие структуру бумаги
и картона.
16.Чем принципиально картон отличается от бумаги?
17.Что такое размол и как он влияет на основные характеристики
структуры бумаги?
18.Что такое каландрирование и как оно влияет на структуру бумаги?
19.Как влияют наполнители на структуру бумаги?
20.Как влияет вид волокнистого материала на структуру бумаги?
21.Рассчитайте объемную массу бумаги по нижеприведенным данным:
№ п/п Масса 1 м
2
, г Толщина, мм Плотность
(объемная масса), г/
см
3
1 90 0,09
2 120 0,10
3 60 0,07
4 150 0,16
5 50 0,10
Какая из этих бумаг имеет наибольшую впитывающую
способность? Наименьшую? Как оценить структуру бумаги 2 и 5?
22.Какими показателями характеризуется пористость бумаги?
23.Какова структура бумаги, если средний радиус пор ее составляет
0,03 мкм? 0,3 мкм?
24.Какова структура бумаги, если ее пористость П=35%? П=60%?
25.Какие рабочие свойства бумаги зависят от пористости?
26.Какими средствами обеспечивается изготовление бумаги с
макропористой структурой? Микропористой?
27.Как влияет структура бумаги на качество оттиска?
18
28.Каковы особенности структуры мелованной бумаги?
29.Сколько метров бумаги в рулоне, если масса рулона 240 кг, ширина
рулона 84 см? Масса 1 м
2
бумаги 60 г/м
2
.
30.Рассчитать, какое количество бумаги (по весу) потребуется для
печатания книги тиражом 100 тыс. экз. объемом 20 п.л., если формат
бумаги 84×108 см, масса бумаги 60 г/м
2
, а отходы на технические
нужды составляют 2,2% (ответ 55,6 т).
Литература
1. Конспект лекций по материаловедению
2. Шахкельдян Б.Н., Загаринская Л.А. Полиграфические материалы. – М.:
Книга, 1988, с.9-19, 21-23, 25-26, 31, 35-37 (специальность 261202)
3. Гудкова Т.И., Загаринская Л.А. Полиграфические материалы. – М.:
Книга, 1982, с.8-22, 24-30 (специальность 080502)
4. Татиев Д.П. Бумага и переплетные материалы. – М.: Книга, 1972, с.18-
31, 32-40, 42-47 (специальности 070902, 032401)
Задание 2 – ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БУМАГИ
19
Лабораторная работа №7
Определение прочности бумаги на разрыв и предельного удлинения при
растяжении
Цель и содержание работы
Изучение прочности на разрыв и деформируемости, как характеристики
упруго-хрупких свойств бумаги. Понятие о прочности данной бумаги и об
общей прочности структуры бумаги (о пределе прочности). На динамометре
определяют прочность на разрыв (разрывное усилие) и одновременно
растяжение перед разрывом испытуемой бумаги в машинном и поперечном
направлениях. Рассчитывают предел прочности и его условное выражение –
разрывную длину, а также коэффициент анизотропии, как отношение
прочности в машинном направлении к прочности в поперечном направлении.
Для характеристики деформации растяжения рассчитывают относительную
деформацию растяжения и эффективный модуль растяжения до разрыва.
Приборы и принадлежности
динамометр – разрывная машина ФГ-100 или РМБ-10;
линейка обычная;
ножницы.
Методика и порядок выполнения работы
Устройство динамометра. Динамометр, на котором производят
определение прочности бумаги на разрыв (рис.5), представляет собой
неравноплечий рычаг 2, поворачивающийся на оси 1. На длинном плече
находится груз 3, создающий растягивающий момент. Короткое плечо –
сектор 4. Его дугу огибает гибкая цепь 5, к которой подвешен зажим 6. В нем
закрепляется верхний конец полоски испытуемой бумаги 7. Зажим для
нижнего конца полоски 8 при включении электродвигателя опускается с
постоянной скоростью и тянет бумагу. Это вызывает поворачивание рычага
2. По мере отклонения рычага 2 от вертикали происходит нарастание
растягивающего момента до разрыва образца.
Для проведения испытания используют две полоски бумаги размером
15×240 мм, вырезанные одна в машинном и одна в поперечном направлении.
Испытания проводят поочередно с каждой из них. Для удобства закрепления
образца в динамометре верхний зажим его временно закрепляют винтом 9, а
рычаг 2 фиксируют в вертикальном положении стопором 10. Нижний зажим
может быть установлен на разном расстоянии от верхнего. Для стандартного
испытания это расстояние составляет 200 мм.
После закрепления полоски бумаги винт 9 и стопор 10 освобождают и
включают двигатель. Разрывное усилие Q в кгс отсчитывается на круговой
шкале 11. Показания снимают со шкалы после автоматической остановки
прибора в момент разрыва образца. Одновременно определяют растяжение
20