Иванов А.Н. (ред.) Новое в подготовке волокнистой массы для различных видов бумаги и картона

Подождите немного. Документ загружается.

3-я Международная научно-практическая конференция

«Новое в подготовке волокнистой массы для различных видов бумаги и картона»

УДК 676.017.42

Е.Ю. Ларина, В.И. Комаров

Архангельский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ПОМОЛА СУЛЬФАТНОЙ ЦВВ

НА ВЕЛИЧИНУ ЖЕСТКОСТИ ПРИ ИЗГИБЕ,

РАССЧИТАННУЮ С УЧЕТОМ ПЛАСТИЧЕСКИХ

ДЕФОРМАЦИЙ

Жесткость при изгибе является важной характеристикой качества

печатных и упаковочных видов бумаги и картона, предназначенного для

изготовления тары. Эта весьма важная характеристика во многих случаях

не регламентируется отечественными стандартами, что является отступле-

нием от системного подхода к оценке механического поведения материала

[1].

Жесткость при изгибе является комплексной характеристикой: во-

первых,

)12/(

изг

δ= bEEI , где Е

изг

– модуль упругости при изгибе, характе-

ризует способность бумажного листа сопротивляться деформированию в

зависимости от свойств этого листа, которые определяются природой ис-

ходных материалов и технологическими факторами производства, а вели-

чина момента инерции поперечного сечения (

)12/(

bI = зависит от гео-

метрических размеров – ширины (b) и толщины (δ) образца; во-вторых,

деформация изгиба сводится к растяжениям и сжатиям, различным в раз-

личных частях тела (неоднородному растяжению-сжатию).

При изгибе образца в зависимости от величины нагрузки и свойств

структуры волокнистого целлюлозно-бумажного материала, величина пла-

стических деформаций, возникающих в

отдельны случаях, как правило

различна.

Экспериментально установлено, что в крайних деформированных

слоях образца, напряжение растяжению выше, чем напряжение сжатию.

Это обусловливает, что Е

>Е

сж

., а в итоге величина Е

изг

., меньше модуля

упругости при растяжении. Это объясняется возникновением пластических

деформаций при сжатии [2].

При необходимости испытания целлюлозно-бумажного материала на

изгиб возникают две проблемы. Первая связана с выбором метода испыта-

ния, который лучшим образом позволяет оценить потребительские свойст-

ва данного материала. Вторая проблема обусловлена тем, что расчет ха-

рактеристики ведется с

использованием уравнений, полученных для упру-

гого материала. С появлением при испытании в структуре материала наря-

ду с упругими также вязкоупругих и пластических деформаций [3, 4], ре-

альная жесткость при изгибе имеет величину ниже, чем получаемая при

расчете по предлагаемым уравнениям. Отсюда, использование предлагае-

мых уравнений для расчета возможно лишь с известным приближением.

3-я Международная научно-практическая конференция

«Новое в подготовке волокнистой массы для различных видов бумаги и картона»

Задачей данного исследования являлось оценка влияния степени по-

мола сульфатной ЦВВ на величину жесткости при изгибе с учетом пласти-

ческих деформаций.

Испытания проводились на приборе «Messmer Buchel Stiffness Tester

116-BD». На кафедре целлюлозно-бумажного производства Архангельско-

го ГТУ разработана программа позволяющая получать кривую зависимо-

сти изменения величины усилия (Р), прикладываемая к образцу при испы-

тании

, в зависимости от продолжительности испытания (t).

На рисунке 1 представлена получаемая диаграмма, учитывающая

деформирование образца во времени. При обработке экспериментальной

кривой рассчитываются: нагрузка Р; приведенная жесткость при изгибе S

и модуль упругости Е

изг

при изгибе. Эти расчеты проводят в точках мак-

симальной нагрузки 1 и в точке снятия нагрузки 2.

Вычисления производятся по

следующим уравнениям.

Приведенная жесткость при из-

гибе S

, Н·м:

= ,

Модуль упругости Е

изг

вычисля-

ется по уравнению:

ЕI

изг

где δ - толщина образца, м;

b – ширина образца, м.

Принято, что в точке 1

расчет жесткости при изгибе

производится исходя из уравне-

ний для упругого материала.

В таблице 1 представлены данные испытаний образцов сульфатной

ЦВВ стандартным методом.

Таблица 1

Жесткость при изгибе бумаги для гофрирования при упругом

деформировании (EI

) и с учетом пластических деформаций (EI

)

Величины

характеристик в (·)1

Величины характеристик

в (·)2

Степень

помола,

ºШР

δ,

мкм

мН⋅м

мН·см

уизг

МПа

мН⋅м

мН·см

2изг

МПа

∗

Сульфатная ЦВВ

14 171,0 1,10 164,4 2633 0,99 147,9 2370 10,0

18 138,0 0,95 143,1 4357 0,85 127,4 3878 10,5

24 126,2 0,76 113,4 4520 0,68 102,1 4068 10,1

35 118,1 0,72 107,6 5232 0,66 98,9 4808 8,2

∗

Δ = ((EI

– EI

)/EI

)·100%.

Рис. 1. Кривая зависимости усилия от

продолжительности испытания.

1 - точка упругой деформации; 2 – точ-

ка определения жесткости при изгибе с

учетом пластической деформации,

возникающей в течении времени t

– t

3-я Международная научно-практическая конференция

«Новое в подготовке волокнистой массы для различных видов бумаги и картона»

Из таблицы 1 следует, что пластические деформации, возникающие

при продолжительности времени t

– t

, ошибка при деформировании в

образце снижается в среднем на 10%. С увеличением степени помола,

ошибка уменьшается. Это можно объяснить тем, что образцы, полученные

из массы с более высокой степенью помола, обладают более сомкнутой

структурой, вследствие чего уменьшается толщина образца. В процессе

размола уменьшается длина волокон и происходит увеличение межволо-

конных сил

связи.

В работах [5, 6] показана возможность расчета слоя структуры мате-

риала, в котором возникает предельное состояние. Принимаемые вид эпю-

ры нормальных напряжений и уравнения для расчетов представлены на

рисунке 2.

Расчет толщины слоев:

а – в котором возникает пре-

дельное состояние; d – рабо-

тающего на сжатие и с – рабо-

тающего на растяжение осуще-

ствляется по уравнениям:

−

;

()

δ=

;

()

δ=

;

раст

сж

Расчет жесткости при изгибе с

учетом и без учета слоя а производится по уравнениям:

⋅

⋅=

EEI

изг

;

)(

EEI

изг

−⋅

⋅=

В таблице 2 представлены данные расчета жесткости при изгибе

сульфатной ЦВВ по толщине слоя образца.

Таблица 2

Влияние степени помола сульфатной ЦВВ пластических деформаций,

возникающих в структуре по толщине образца на жесткость при изгибе

С учётом слоя а эксперимен-

тально

С учётом слоя а

теоретически

Сте-

пень

помола,

ºШР

Sb ,

мН·м

EI ,

мН·см

изг

E ,

МПа

а ,

мкм

Sb ,

мН·м

EI ,

мН·см

изг

E ,

МПа

а ,

мкм

Сульфатная ЦВВ

14 0,19 28,2 2058 68 0,47 70,3 2360 37 82,8 57,2

18 0,08 12,1 3163 71 0,11 16,1 3257 65 91,5 88,7

24 0,06 9,5 3350 65 0,06 9,5 3348 65 91,6 91,6

0,09 13,0 3991 54 0,05 7,0 3753 65 87,9 93,5

Рис. 2. Упрощенная эпюра нормальных

напряжений при испытании на изгиб

3-я Международная научно-практическая конференция

«Новое в подготовке волокнистой массы для различных видов бумаги и картона»

Из данной таблицы 2 видно, жесткость при изгибе, рассчитанная с

учетом пластических деформаций в слое а, по сравнению с жесткостью

рассчитанной по уравнению принятого для упругого материала имеют

меньшую величину. Пластические деформации снижают измеряемую же-

сткость при изгибе по толщине в зависимости от степени помола примерно

на 90 %. У неразмолой сульфатной ЦВВ

имеется разница между ошибкой

рассчитанной экспериментально и теоретически. При последующем раз-

моле данная ошибка сближается в сильной степени. Слой а, в котором воз-

никает предельное состояние, с увеличением степени помола практически

не изменяется.

Известно, что пластические деформации при изгибе возникают не

только по толщине образца, но и в плоскости листа [7].

На практике жесткость при изгибе целлюлозно-бумажных материа-

лов можно оценить графоаналитическим методом при испытании консоль-

но закрепленного образца (рисунок 3).

Расчет деформации осуществляют по уравнению:

()

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

−

⋅

−=

жsс

EIP

ln3

;

где f – прогиб; Р – сила; W – момент сопротивления поперечного сечения

образца,

δ= bW

; I – момент инерции поперечного сечения образца,

I = bδ

/12;

Е – модуль упругости при изгибе, l – длина испытуемого образца;

сжs

– напряжение для крайне сжатого волокна

Жесткость при изгибе рассчитывается:

= .

Рис. 3. Схема испытания на изгиб и расчета деформации с учетом графоа-

налитического метода

l – длина образца; х

– расстояние, на котором проявляются упругие де-

формации;

х – расстояние, на котором развиваются пластические деформации;

М – изгибающий момент; ΔМ – приращение изгибающего момента вслед-

ствие образования пластических деформаций

3-я Международная научно-практическая конференция

«Новое в подготовке волокнистой массы для различных видов бумаги и картона»

При изгибе образца, в сжатой зоне образуются пластические дефор-

мации и в плоскости листа, для расчета которых также необходимо знание

критической величины напряжения сжатия [8,9].

В таблице 3 представлены данные расчета жесткости при изгибе об-

разцов сульфатной ЦВВ в плоскости листа.

Таблица 3

Расчет жесткости при изгибе в плоскости листа

Экспериментальные данные Теоретические данные

Ошиб-

ка

Степень

помола,

ºШР

мН·см

Sb ,

мН·м

EI ,

мН·см

изг

МПа

сж

МПа

Sb ,

мН·м

EI ,

мН·см

изг

МПа

сж

МПа

х,

мм

Сульфатная ЦВВ

14 164,4 0,86 128,5 2058 12,2 0,98 147,4 2360 18,1 13,3 11,7 22 10

18 143,1 0,69 103,9 3163 21,6 0,71 107,0 3257 24,2 6,9 18,1 27 25

24 113,4 0,56 84,1 3350 23,0 0,56 84,0 3348 23,0 5,5 19,5 26 26

107,6

0,55 82,1 3991

31,9 0,51

77,2 3753

24,9

4,5 20,5

24 28

Из данной таблицы следует, что различия в жесткости при изгибе

рассчитанные с учетом пластических деформаций в плоскости листа тео-

ретически и экспериментально отличаются от жесткости при изгибе при

упругом деформировании в среднем на 25 %. Расстояние х, на котором на-

чинают появляться пластические деформации, с увеличением степени по-

мола уменьшается.

Традиционно о

пригодности волокон технической целлюлозы для

производства бумаги и картона судят о степени помола и способности к

обезвоживанию, поскольку текущий технологический контроль анатоми-

ческих и морфологических свойств в производстве трудоемкий процесс

даже при наличии современных анализаторов.

Значения характеристик волокон, полученных с помощью анализа-

тора Fiber Tester для сульфатной ЦВВ, представлены в таблице 4. и рисун

ке 4.

Таблица 4

Влияние вида волокна и степени помола на фундаментальные свойства

Степень

помола,

ºШР

ср

мм

ср

мкм

см

/г

кр

мм

ро

МПа

св

МПа

SV,

МПа

Г,

дГр

〈

изг

Сульфатная ЦВВ

ШР 2,48 33,3 1,82 1,88 84,0 15220 0,74 2,116 165,2 90,7 53,7

ШР 2,46 32,9 1,56 1,35 114,7 15990 1,25 3,127 159,1 88,0 55,5

ШР 2,33 34,1 1,54 1,13 121,1 16000 1,56 3,788 174,7 86,6 55,2

ШР 2,25 34,8 1,46 1,22 124,8 160320 2,63 6,016 154,9 86,9 54,5

3-я Международная научно-практическая конференция

«Новое в подготовке волокнистой массы для различных видов бумаги и картона»

0,0

40,0

80,0

120,0

160,0

200,0

2,20 2,25 2,30 2,35 2,40 2,45 2,50

ср

, мм

EI, мН·см2

0,0

40,0

80,0

120,0

160,0

200,0

32,5 33,0 33,5 34,0 34,5 35,0

ср, мкм

EI, мН·см2

0,0

40,0

80,0

120,0

160,0

200,0

1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00

кр

, мм

EI, мН·см2

0,0

40,0

80,0

120,0

160,0

200,0

0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00

св

, МПа

EI, мН·см2

0,0

40,0

80,0

120,0

160,0

200,0

150,00 160,00 170,00 180,00

, дГр

EI, мН·см2

0,0

40,0

80,0

120,0

160,0

200,0

53,5 54,0 54,5 55,0 55,5 56,0

EI, мН·см2

〈,

⎩

Рис. 5. – Влияние фундаментальных свойств волокна сульфатной ЦВВ

на жесткость при изгибе.

Кривая 1 – жесткость при изгибе, при упругом деформировании;

2 – с учетом слоя а экспериментально; 3- с учетом слоя а теоретически;

4 – в плоскости листа экспериментально; 5 – в плоскости листа теоретически.

Изменение структурно-морфологических характеристик волокон и

физико-механических показателей лабораторных образцов на примере

сульфатной ЦВВ, полученной в результате варки без пропитки. При по-

степенном увеличении степени помола полуфабриката от исходной до 35

°ШР наблюдается снижение средней длины волокна на 9,5 %, увеличение

толщины стенки волокна на 6,0 %, снижение критической длины волокна

3-я Международная научно-практическая конференция

«Новое в подготовке волокнистой массы для различных видов бумаги и картона»

на 35,0 %, увеличение межволоконных сил связи на 75,0%. Средний угол

излома в результате размола остается практически постоянным.

Полученные экспериментальные данные показывают, что возникно-

вение пластических деформаций при испытании на изгиб во времени, по

толщине и в плоскости листа предполагается использовать для расчета же-

сткости при изгибе волокнистых целлюлозно-бумажных материалов спе-

циальных

уравнений, а не используемые в настоящее время, полученных

для упругого материала.

Библиографический список

1. Комаров, В.И. Деформация и разрушение волокнистых целлюлозно-

бумажных материалов [Текст] /В.И. Комаров. – Архангельск: Изд-во

АГТУ, 2002. –440 с.

2. Комаров, В.И. Деформативность целлюлозно-бумажных материалов

при изгибе [Текст]/В.И.Комаров // ИВУЗ Лесной

журнал. –1994. –№

1. – С. 86-91.

3. Brecht W., Blicstad F. // Papierfabrikant, 1940, 38,17

4. Brecht W., Muller F. Uber die Steifigkeitsprufung von Papier, Karton und

Pappen. // Das Papier, 1960, № 7,9.

5. Комаров В.И. Деформативность целлюлозно-бумажных материалов

при изгибе. [Текст] / В.И. Комаров // ИВУЗ Лесной журнал. – 1994. -

№ 1. - С. 112-142.

6. Белянкин Ф.П. Пластические деформации дерева при изгибе. [Текст]

/ Ф.П. Белянкин. // Труды 1-й Всесоюзной конференции по прочно-

сти авиаконструкций, 1936.

Комаров, В.И. Расчет жесткости при изгибе волокнистых целлюлоз-

но-бумажных материалов с учетом пластических деформаций в

плоскости листа [Текст]/ В.И.Комаров, Е.Ю. Ларина // ИВУЗ Лесной

журнал. –2009. –№ 4. –С. 106-110.

8. ИТС-403.000.000ИО. Прибор для определения сопротивления сжа-

тию на коротком расстоянии. Инструкция оператора. – Иваново.

ООО «ИТС» (Измерительные системы) 2009. –20

с.

9. ISO 9895:1989. Бумага и картон. Сопротивление сжатию. Испытание

в малом диапазоне.

3-я Международная научно-практическая конференция

«Новое в подготовке волокнистой массы для различных видов бумаги и картона»

УДК 676.1

П.В. Осипов

BASF SE

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ В ПРОЦЕССАХ

ОБЛАГОРАЖИВАНИЯ МАКУЛАТУРЫ

Как и технология подготовки массы непосредственно перед

БДМ/КДМ, начиная от композиционного бассейна, включая размол, фрак-

ционирование, тонкую очистку, добавки химикатов, процесс облагоражи-

вания макулатурного сырья подчиняется аналогичным принципам ком-

плексности основных учитываемых факторов, системности и эффектив-

ности технологии (Рисунок 1,2).

pavelosipov@yandex.ru 2

Принципы построения технологии

 Комплексность, системность технологии

по всему потоку производства от ГРВ

до наката машины

 Эффективность выбранных и подобранных

химикатов и Технологии в целом с учетом

электрокинетических параметров массы

 Экономичность Химической Технологии

Рис. 1. Принципы построения технологии.

Между тем российская практика показывает, что на настоящее время

нет научно обоснованных, конкретных для переработки разных видов ма-

кулатуры рекомендаций по применению химических продуктов в процес-

сах от стадии разволокнения полуфабриката до флотационного освобож-

дения от печатной краски и посторонних включений. Как часть цикла,

нельзя

не учитывать и процесс осветления оборотных вод и очистки сточ-

ных вод и утилизации осадков производства. Во всех физико-химических

процессах смачивания, диспергирования, нейтрализации заряда и коагуля-

ции, флокулирования при осуществлении стадий флотации, промывки и

сгущения, седиментации химикатам отводится важная роль.

3-я Международная научно-практическая конференция

«Новое в подготовке волокнистой массы для различных видов бумаги и картона»

pavelosipov@yandex.ru 4

Применение химических продуктов

на стадиях облагораживания макулатуры

“Polymin”, “Organopol”Очистка стоков и шламовых отходов

Na-дитионит, “Trilon”Отбелка

“Polymin”, “Organopol”Промывка

“Sokalan”, “Plurafac” – предв.флотацияФлотация

“Sokalan”, “Tamol”Диспергирование и размол

Мельштоф и 0-волокно?! “Polymin”Фракционирование

“Polymin”, “Organopol”Сгущение/ Промывка

Дополнительный размол

“Catiofast”-VPТонкое сортирование: Очистка

Диспергатор брака с покрытиемГрубое сортирование: Очистка

Смачиватели”Plurafac”, “Lutensol”Разволокнение

ПродуктыПроцессы

Рис. 2. Возможности повышения эффективности процессов

применением химических продуктов.

Говоря о воздушно-пузырьковом методе при флотации (“DAF”), сле-

дует отметить при этом несколько функций поверхностно-активных ве-

ществ (Рисунок 3), что лишний раз указывает на необходимость выбора и

подбора оптимального ПАВ для процесса (Рисунок 4).

pavelosipov@yandex.ru 7

Коллоидно – Химические Процессы “DAF”

Роль ПАВ в процессе

 1 - Диспергирование и предупреждение

повторного осаждения на дисперсной фазе

 2 - Агломерирование частиц печатной

краски

 3 - Контроль пенообразования

Рис. 3. Роль ПАВ в процессе флотации.

Кроме того, на потоке массоподготовки, а чаще в короткой циркуля-

ции и вакуум-насосах машины возникают проблемы минеральных отложе-

ний, которые легче предупредить малой постоянной дозировкой ингибито-

ров (Рисунок 5).

3-я Международная научно-практическая конференция

«Новое в подготовке волокнистой массы для различных видов бумаги и картона»

pavelosipov@yandex.ru 12

23°C, 1 г/л

Lutensol

XP 30

Lutensol

XL 40

Lutensol

TO 3

Lutensol

A3N

Нонилфенол

с 3 EO

Поверхностное натяжение в мН/м

0,001 0,01 0,1

Время в сек.

Динамическое поверхностное натяжение неионогенных ПАВ

Сверхбыстрые ПАВ -Lutensol

XL & XP

Смачивание

Рис. 4. Эффект ПАВ марки”Lutensol”.

pavelosipov@yandex.ru 14

гидратированные ионы

хелатирующий

агент связывает

свободные ионы

субмикроскопи-

ческие ядра

адсорбция на

поверхности

растущего

кристалла

макроскопические

кристаллы

предотвращение

агломерации

кристаллов

Механизм

ингибирования

отложений

помощью

поликарбоксилатов

Рис. 5. Механизм ингибирования отложений.

Каждый вид бумажной продукции, производимый с использованием

макулатуры, требует особенного подхода при стадиях переработки сырья и

машинной технологии в части поддержания электрокинетических пара-

метров суспензии на оптимальном для производства уровне. В презента-

ции рассмотрены вопросы отбелки массы дитионитом натрия, практиче-

ские случаи производства окрашенных бумаг

”tissue”, тест-лайнера и флю-

тинга, газетной бумаги из макулатуры.