автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Деформативность и прочность сульфатной небеленой целлюлозы

од

На правах рукописи

Казаков Яков Владимирович

ДЕФОРМА ТИВНОСТЬ И ПРОЧНОСТЬ СУЛЬФА ТНОЙ НЕБЕЛЕНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

05.21.03 —.¿Технология и оборудование химической переработки древесины; химия древесины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск -1998

Работа выполнена на кафедре технологии целлюлозно-бумажного производства Архангельского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор химических наук, профессор Соколов Олег Михайлович.

Научный консультант - кандидат технических наук, профессор : Комаров Валерий Иванович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук

Чижов Георгий Иванович Личутина Татьяна Федоровна

Ведущая организация АО "Архангельский ЦБК"

Защита диссертации состоится 25 июня 1998 г. в _£Зчасов на заседании диссертационного совета К 064.60.01 в Архангельском государственном техническом университете по адресу: 163007, Архангельск, Набережная Северной Двины, 17

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского государственного'технического университета.

Автореферат разослан "221' мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Т. Э.Скребец ¿¿/¿«¿^

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшим потребительским свойством многих видов бумаги и картона, производимых из сульфатной небеленой целлюлозы, наряду с определенной прочностью, является способность к деформированию при приложении растягивающей или изгибающей нагрузок. В Российской Федерации характеристики деформативноети в большинстве случаев не нормируются отечественными стандартами и фактически не контролируются, как при производстве полуфабрикатов, так и при производстве бумаги и картона. В то же время, для обеспечения требований стандарта ISO 9001-87, при переходе к сертификации продукции, необходимы не только испытания на прочность, но и определение еще ряда характеристик деформативноети. Это определяет целесообразность проведения комплексных исследований фундаментальных, деформационных и прочностных свойств целлюлозы и их корреляции.

Актуальность и значимость развития исследований, направленных на создание целлюлозно-бумажных материалов с повышенными деформационными свойствами, обусловили их включение в Государственную научно-техническую программу Российской Федерации "Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья", проект 3.5.3 "Исследование формирования свойств деформативноети и прочности целлюлозных волокнистых материалов в процессах производства" (1991-1996 годы).

Цель и задачи исследования. Главной целью работы является установление факторов, определяющих деформационные свойства сульфатной небеленой целлюлозы, а также исследование корреляции характеристик деформативноети и прочности, и разработка методов прогнозирования качества технической целлюлозы.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

- провести методологическую работу и разработать программно-математическое обеспечение для совмещения разрывной машины и ПЭВМ для обработки экспериментальной кривой зависимости "усилие-удлинение" и расчета характеристик с использованием кривой зависимости "напряжение-деформация" ("б-е");

- установить влияние процессов производства и технологических факторов на деформативность и прочность сульфатной небеленой целлюлозы;

- исследовать корреляционную взаимосвязь фундаментальных, деформационных и прочностных характеристик сульфатной небеленой целлю-

- - 4

лозы и предложить способ прогнозирования свойств деформативности данного материала.

Научная новизна. Получили дальнейшее развитие и экспериментальное обоснование представления о влиянии фундаментальных свойств технической целлюлозы (по Кларку) на характеристики деформативности. Установлена избирательность влияния технологических факторов производства сульфатной небеленой целлюлозы на характеристики деформативности и прочности.

Выявлено влияние химического, при сульфатной варке, и механического, при размоле, воздействия на структуру стенки волокна технической целлюлозы, и влияние изменений структуры стенки волокна на характеристики деформативности и прочности.

Показана применимость уравнения типичного тела с одним временем релаксации для моделирования зависимости "б-е" целлюлозного материала при испытании на растяжение с постоянной скоростью.

Практическая ценность. Разработанное программно-математическое обеспечение для совмещения разрывной машины и ПЭВМ принято для внедрения в производство головного образца лабораторного испытательного комплекса на предприятии "ТОЧПРИБОР-МАРКЕТИНГ".

Установлены требования к сырью и параметрам производства сульфатной небеленой целлюлозы для получения полуфабриката с максимально возможной деформативностью и максимально возможной прочностью.

Разработана модель для прогнозирования кривой зависимости "напряжение-деформация" сульфатной небеленой целлюлозы через величины фундаментальных характеристик волокна.

На защиту выносятся:

- методика получения и математической обработки кривой зависимости "6-е" при испытании на растяжение целлюлозного материала с постоянной скоростью;

- установленные закономерности влияния толщины щепы, параметров сульфатной варки, степени делигнификации и степени помола на де-формативность и прочность целлюлозы из хвойных пород древесины;

- влияние изменений структуры стенки древесного волокна, вызванных химическим воздействием при сульфатной варке и механическим воздействием при размоле целлюлозы, на характеристики деформативности и прочности;

- установленные корреляционные зависимости фундаментальных, деформационных и прочностных характеристик сульфатной небеленой целлюлозы;

- способ прогнозирования характеристик деформативности и прочности, рассчитанных по кривой зависимости "напряжение-деформация" сульфатной небеленой целлюлозы с использованием величин фундаментальных характеристик волокна при применении уравнения типичного тела с одним временем релаксации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на международных, всероссийских и региональных симпозиумах, конференциях, совещаниях и семинарах в городах: Коряжме (1992), Санкт-Петербурге (1994), Хельсинки (1995), Москве (1996), Сыктывкаре (1996), Архангельске (1997), Минске (1997), а также ежегодно докладывались на научно-технических конференциях Архангельского ГТУ (АЛТЙ).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликованы 18 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит: из введения: обзора литературы; методической части; экспериментальной части, включающей пять разделов; общих выводов и приложения. Содержание работы изложено на 251 странице, включая 37 рисунков и 73 таблицы, библиография содержит 173 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В обзоре литературы показано, что в имеющихся в настоящее время многочисленных теориях прочности бумаги, в качестве важнейших факторов, определяющих ее механические свойства, наиболее часто используются свойства волокна, названные Кларком фундаментальными: средняя длина волокна, когезионная способность, способность к уплотнению во влажном состоянии и прочность волокна. Предлагаемые пути решения задачи прогнозирования свойств целлюлозного материала достаточно разнообразны, но все они направлены на расчет или только прочности, или только модуля упругости.

Методика исследования В работе использовались образцы хвойной сульфатной небеленой целлюлозы производственного и лабораторного изготовления. Применялись стандартные и специально разработанные методики.

Усовершенствован способ оценки деформативности сульфатной целлюлозы через данные математической обработки кривой зависимости "б-е" при испытании на растяжение с использованием разработанного испытательного комплекса и программного обеспечения.

В исслёдоёанш были использованы комплексные метода оценки деформативности и прочности целлюлозы при испытании на растяжение, изгиб, сдвиг, а так же Ж-Фурье спектроскопия для оценки относительного содержания структурных составляющих стенки волокна целлюлозы.

Использованы методы: математического планирования эксперимента; парного, частного и множественного корреляционного анализа; множественного регрессионного анализа; математического моделирования и'статистического анализа. Все расчеты выполнены'на ЭВМ по стандартным'^ специально разработанным программам.

Экспериментальная часть состоит из 5 разделов.

1. Формирование свойств деформативности и прочности в процессах производства

Исследования проведены в технологическом потоке производства целлюлозы, используемой в композиции картона крафт-лайнер. Отборы образцов осуществляли: 1 - после варочного котла; 2 - после мельницы горячего размола; 3 - после диффузора непрерывного действия; 4 - после промывки на вакуум-фильтрах.

Статистическая оценка изменения свойств целлюлозы при прохождении технологического потока представлена в табл.1. Показано, что целлюлоза, полностью прошедшая технологический цикл, имеет в большинстве случаев характеристики с величиной коэффициента вариации выше 5% предела, считающегося нормальным для технологического процесса. Статистическая оценка величин технологических параметров в данном случае показала, что вариация величин исследованных характеристик обусловлена, главным образом, крайне нестабильным качеством щепы.

Оценка влияния процессов промышленной технологии показала, что факторы процесса варки оказывают наибольшее влияние на вариацию величин пухлости (V), жесткости при изгибе (Е1), модуля сдвига (С0), сопротивлений продавливанию (П), раздиранию (Ю и сжатию кольца (К); процесс горячего размола - на вариацию величин средней длины волокна (1ср) и нулевой разрывной длины (Ь0), модулей упругости - начальный (ЕА), в зоне предразрушения (Ег), изгиба (Еизг). а так же прочности при растяжении (Ь,бр); процесс промыв-

Таблица 1

Изменение физико-механических показателей сульфатной небеленой целлюлозы в технологическом потоке.

Характеристика Размерность Показатель Величины характеристик в точках отбора

1 2 3 4

1ср мм X У,% 1.96 6.6 1.93 13.4 1.88 9.9 1.96 10.7

V см3/г I 1.82 6.7 1.71 5.2 1.71 2.9 1.68 3.7

Рев МПа У V Л 0.296 7.9 0. 306 4.9 0. 284 И. 1 0.313 6.8

Ьо м У V, % 1800 9.7 1920 10.3 1880 5.4 1900 7.5

Е1 МПа X У.% 3730 11.0 4240 11.6 4570 9.4 3370 8.1

Ер %■ X У,% I.98 II.5 2.03 9.3 1.99 8.0 2.27 12.1

Е1 мН-см2 X V. % 760 15.1 725 13.9 650 13.7 650 9.5

Со МПа X V, % 560 10.3 600 8.7 575 5.2 590 5.8

Ь м X У,% 6350 10.4 6500 11.2 6300 6.0 6100 6.7

Ар мДж Г у Л 180 15.9 195 16.2 190 12.5 200 19.5

П кПа X у Л 594 15.9 679 15.5 681 10.7 685 9.4

н мН X У Л 278 11.5 272 8.3 273 4.4 273 4.5

к Н X У.% 250 12.6 283 7.4 282 8.5 291 5.8

ки - на вариацию величины межволоконных сил связи (Рсв). деформации разрушения (ер) и работы разрушения (Ар).

2. Влияние технологических факторов на деформативность и прочность сульфатной небеленой целлюлозы

В данном разделе представлены данные влияния толщины щепы, факторов сульфатной варки, степени делигинификации и степени помола на деформативность и прочность целлюлозы.

Для исследования влияния факторов сульфатной варки, в лабораторных условиях был проведен планированный эксперимент для четырех факторов: Х1 - температура варки, варьировалась от 160 до

180°С; х2 - продолжительность стоянки на конечной температуре, варьировалась от 20 до ,60. мин; х3 - расход активной щелочи на варку в % от массы абсолютно-сухой щепы, варьировался от 14 до 22%: и х4 - толщина щепы ручного приготовления из древесины сосны, варьировалась от 2 до 8 мм. Проведена 31 варка, получены образцы целлюлозы с выходом от 43.4 до" 64.7%, степень делигнифика-ции составляла от 26.9 до 85.8 ед.Каппа. Испытывали отливки целлюлозы с массой 1' м2 120 г и степенью помола 18°ШР.

Используя полученные адекватные.модели, были- рассчитаны на ЭВМ вёличины параметров варки, обеспечивающих получение целлюлозы с максимальными характеристиками, табл.2. Разные величины этих параметров говорят о неэффективности общей оптимизации.

Таблица 2

Характеристики целлюлоз для оптимальных условий проведения варок

Характеристика Размерность Центр плана Достигаются максимальные

Плотность .Проч- . ность,. Жесткость Упругость

Условия проведения варок

Номер режима Температура (xt) Стоянка (х2) Расход а. щ. (х3 Толирна щепы(х4) °С мин % мм 0 170 40 18 5.0 1 175 45 22 2.0 2 175 35 14 2.0 3 180 60 15 3.0 4 170 55 22 6.5

Характеристики целлюлоз, рассчитанные ло уравнениям регрессии

Плотность (р) г/см3 % 0.781 100.0 0.826 105.8 0.808 103.5 0.762 97.6 0. 807 103.3

Разрушающее напряжение :(бр) МПа % 67.9 100.0 69.3 102.0 79.0 ■116.3 68.6 100.9 71.3 105.0

Сопротивление продавливанию(П) кПа ... % 435 100.0 490 112.9 545 125.5 430 99.4 450 103.8

Сопротивление сжатию кольца(К) Н % 180 100. 0 230 128.7 280 154.5 335 184.9 225 124.0

Жесткость при изгибе (Е1) ■■■ мН-см2 • % 380 ЮО.'О 395 103.7 370 36. 8 475 124.5 415 109.5

Модуль упругости (Ец) МПа % 8220 100.0 8670 105.5 '8440 ' 102.7 . " 78Í0 95.0 9250 112.5

Модуль сдвига (йо) МПа % 495 100.0 530 107.1 485 98.0. 445 89.9 ' 510 103.0

Выход целлюлозы % 50.9 53.4 64.5 59.3 52.9

Выходные параметры были разделены на группы: фундаментальные свойства (FCB и р); характеристики прочности (бр и П); характеристики жесткости (К и El); характеристики упругости (Ei и G0). Для каждой группы свойств определены оптимальные условия и предложено 4 режима варки. По уравнениям регрессии рассчитаны значения физико-механических характеристик (см.табл.2). Оптимальные условия получения целлюлозы с повышенными характеристиками дефор-мативности оказались отличающимися от условий получения образцов с максимальной прочностью. Очень четко выражены отличия в толщине щепы: для повышения характеристик деформативности нужна более толстая щепа, толщиной 6...6.5 мм, а для повышения характеристик прочности - более тонкая, толщиной не более 2.5 мм.

Методом ИК-Фурье спектроскопии, совместно с кафедрой физики С.-Петербургского ГТУРП. проведена оценка влияния на структуру компонентов стенки волокна древесной целлюлозы химического воздействия в процессе сульфатной варки и механического воздействия в процессе размола. Исследована корреляция относительного содержания компонентов структуры (С1уп и С1„еуП - упорядоченных и неупорядоченных областей, образованных макромолекулами нативной целлюлозы; С2неуп - целлюлозных макромолекул со структурной модификацией, отличной от нативной целлюлозы, а также других полисахаридов; Мо(1512) - лигнина; М0(Н20) остаточной воды) с характеристиками деформативности и прочности.

За счет изменения продолжительности сульфатной варки получены 10 образцов целлюлозы со степенью делигнификации от 54.6 до 20.7 ед.Каппа. Испытывали образцы целлюлозы массой 75 г/м2 без размола и со степенью помола 30°ШР.

Обнаружено, что удаление лигнина в ходе варки сопровождалось уменьшением содержания компонента С2неуп и возрастанием относительного содержания структурных компонентов нативной целлюлозы С1уП И С1неуп.

Относительное содержание остаточной воды, оцениваемое параметром М0(Н20) в процессе делигнификации уменьшалась симбатно с уходом лигнинного и углеводного С2неуп компонентов. При этом обу-жение контура этой спектральной полосы, оцениваемое параметром Мг(Нг0) (полуширина полосы поглощения) и характеризующее степень структурной однородности молекул остаточной воды, свидетельствовало о тенденции упорядочения структурной организации молекул связанной воды. Степень связывания молекул остаточной воды компо-

нентами системы,..оцениваемая параметром М!(Н20) (положение максимума-полосы поглощения), повышалась. Все это позволяет предположить, что в ходе делигнификации удалялись компоненты, обеспечивающие удержание наиболее, прочно связанной воды.

Изменение степени делигнификации сульфатной целлюлозы в большей степени влияет на характер деформирования и величины физико-механических характеристик образцов целлюлозы, не подвергавшейся размолу. Размол несколько сглаживает различия в механическом поведении данных образцов целлюлозы.

Оценка взаимосвязи исследованных характеристик, табл.3, показала. что большинство деформационных и прочностных характеристик обнаружили тесную взаимосвязь с параметрами С^п и С2Неуп. численное значение коэффициента корреляции которых с физико-механическими характеристиками во многих случаях оказалось выше, чем с параметрами количественного содержания лигнина в образцах (Мо(1512) и число. Каппа). Наиболее высокий уровень корреляционных зависимостей был выявлен для М2(НгО).

Таблица 3

Коэффициенты парной корреляции характеристик компонентного состава структуры стенки волокна сульфатной небеленой целлюлозы с физико-механическими свойствами

С1уп С1неуп С2Неуп Мо(1512) Ио(Н80) М1(Нг0) М2(Нг0)

Каппа 1ср ^св Ьо -0. 933 -0.038 -0.886 0.657 0.399 -0. 808 0.388 -0.695 0.322 0.231 0.912 -0.229 0.783 -0. 537 -0.361 0.989 -0. 003 0.854 -0. 623 -0. 532 0.959 -0.072 0.851 -0. 579 -0. 551 -0.513 -0.195 -0.484 0.378 0.164 0.667 0.371 0.539 -0.848 -0. 443

Е! й Бо 0.902 0.807 0.610 0.852 0.630 0.474 0.412 0.593 -0.827 -0. 690 -0.563 -0. 758 -0.874 -0.756 -0.552 -0.850 -0.803 -0. 684 -0.463 -0.811 0.620 ' 0.628 0.340 0.442 -0.832 -0.960 -0. 755 -0.845

1 Ар П И 0.801 0. 826 0.728 0.789 0.493 0.492 0.417 0.477 -0. 689 -0. 698 -0.613 -0. 681 -0.762 -0.774 -0.717 -0.736 -0.718 -0.712 -0.689 -0.659 0.513 0.637 0.446 0.526 -0.902 -0.939 -0.869 -0.900

Эксперимент показал, что изменение характеристик деформатив-ности.и прочности материала при изменении содержания в нем лигнина, обусловлено, главным образом, .изменением пухлости, зависящей в большей степени от содержания структурных компонентов целлюлозной матрицы, и адгезионной способности,.-, зависящей в большей степени от характеристик прочно- связанной воды. ,

Исследования влияния '.размола в интервале от 13 до 60°ШР показали, что из исследованных технологических факторов, размол оказывает самое сильное влияние на' величины фундаментальных, деформационных и прочностных характеристик образцов целлюлозы. Характер зависимостей для образцов с различной степенью делигнификации является схожим.

Изменения величин спектроскопических характеристик стенки волокна технической целлюлозы в процессе размола зависит от содержания лигнина в образцах. У целлюлозы со степенью делигнификации 57 ед.Каппа значения целлюлозных параметров С1уп, С1неуп и С2неУп изменялись слабо. А у целлюлозы со степенью делигнификации 21 ед. Каппа с увеличением степени помола снижались значения параметров С1уп и С1неуп и возрастала величина С2неуп- Характер изменения параметров М3(1592 см"1) и М0(1512 см"1), оценивающих относительное содержание лигносодержащих структур, у обеих групп образцов был схожим.

Анализ экспериментальных данных позволяет сделать заключение, что при размоле технической целлюлозы с повышенным содержанием остаточного лигнина, ~ 9%. углеводные макромолекулы оказались защищенными от преобразующего механического воздействия лиг-носодержащими структурами. При этом основные изменения величин фундаментальных, деформационных и прочностных характеристик технической целлюлозы связаны с изменениями "лигнинных структур (спектральные параметры М3(1592 см"1) и М0(1512 см"1)). При размоле технической целлюлозы, с пониженным содержанием остаточного лигнина, ~ 3%, механическое воздействие приводит к изменениям не только структуры остаточного лигнина, но и структуры углеводной части волокна. Это сопровождается увеличением относительного содержания поверхностных аморфных областей, описываемых параметром С2неуп. и уменьшением относительного содержания областей нативной целлюлозы, что и определяет характер изменения величин фундаментальных, деформационных и прочностных характеристик.

3. Распределение вероятностей величин физико-механических характеристик сульфатной небеленой целлюлозы

Проведены испытания отливок массой 150 г/м2 производственной целлюлозы, не подвергавшейся размолу. Установлено, что различная природа свойств деформативности и прочности определяет и различные законы распределения характеристик этих свойств. Для прочностных характеристик Р, бр, Ар, П, величины которых определяются

дефектом структуры, наиболее подходящим оказывается распределение Вейбулла, а для характеристик деформативности Е^ЕГ, Еизг, интегрально оценивающих структуру материала - нормальное распределение.

4. Корреляция фундаментальных, прочностных и деформационных

характеристик сульфатной небеленой целлюлозы В корреляционном анализе проведена оценка взаимосвязи величин характеристик серий образцов целлюлозы, табл.4: 1) из нераз-молотой целлюлозы с различной степенью делигнификации; 2) с различной степенью делигнификации, размолотые до 30°ШР; 3) с различной степенью помола; 4) полученные при варьировании основных факторов сульфатной варки; 5) отобранные в технологической схеме производства картона на Архангельском ЦБК; 6) выборка, составленная из всех указанных образцов.

Таблица 4

Корреляция характеристик деформативности и прочности сульфатной небеленой целлюлозы

Характе- Серия Модуль Деформа- Жесткость Модуль

ристика упру- ция раз- при сдвига

гости рушения изгибе

Е1 Ер Е1 Со

Разрывная 1 0.90 0.96 0.74 0.97

длина 2 0.82 0.67 0.13 0.72

3 0.89 0.96 -0.82 0.99

ь 4 0.34 0.63 -0.17 0.21

5 0.47 0.25 0.48 0.25

6 0.96 0.94 -0.50 0.88

Работа 1 0. 91 0.98 0.68 0.94

разрушения 2 0.60 0.85 0. 12 0.68

3 0.81 0.98 -0.73 0.93

Ар 4 0.33 0.94 -0.07 0.41

5 -0.07 0.86 0.52 0.12

6 0.87 0.98 -0. 38 0.80

Сопротив- 1 0.87 0.95 0.63 0.97

ление про- 2 0.24 -0.51 0.41 -0.20

давливанию 3 0.92 0.94 -0.86 0.99

4 0.07 0.53 -0.33 0.30

П 5 -0.04 0.43 0.08 0.53

6 0.81 0.61 -0.55 0.91

Сопротив- 1 0.83 0.90 0.88 0.89

ление 2 -0.12 -0.17 0.30 -0.19

раздиранию 3 -0.33 -0.01 0.35 -0.13

4 0.29 -0.32 0.58 0.24

й 5 0.29 0.66 0.48 .. -0.39

6 -0. 04 -0.18 0.05 -0. 19

Вопрос о корреляции характеристик деформативности и прочности позволяет судить о взаимозаменяемости характеристик при оценке качества материала. Данные табл.4 позволяют сделать вывод, что теснота корреляции зависит от способа получения образцов и от вида фактора технологического воздействия. Максимальная теснота взаимосвязей наблюдается для образцов, отличающихся по степени помола. Минимальная теснота связей обнаружена на образцах производственного изготовления. Для выборки, составленной из всех образцов, большинство коэффициентов корреляции значимы.

Для оценки возможности прогнозирования характеристик деформативности и прочности через фундаментальные свойства волокна сульфатной небеленой целлюлозы, для выборки номер 6, определены парные, частные и множественные коэффициенты корреляции, табл.5.

Таблица 5

Характеристика Вид коэффициента корреляции Средняя длина волокна 1 ср Пухлость V Межволоконные силы связи Рев Нулевая разрывная длина и

Модуль упругости Е* парный частный -0.764 0.054 -0.862 -0.592 0.733 0.410 0.571 0. 141

множеств. 0.891

Деформация разрушения ер парный частный -0.822 -0.078 -0.929 -0.737 0.702 0.262 0.643 0.273

множеств. 0. 941

Жесткость п^и изгибе парный частный 0.548 0.345 0.521 0.240 -0. 284 0.256 -0.197 0.229

множеств. 0.621

Разрывная длина 1 парный частный -0.879 -0. 397 -0.962 -0.849 0.712 0. 187 0.626 0.177

множеств. 0.974

Работа разрушения Ар парный частный -0.818 0. 001 -0.908 -0.691 0.772 0.510 0.616 0.238

множеств. 0.939

Сопротивление продавливают П парный частный -0.740 -0. 209 -0.744 -0. 379 0.686 0.277 0.347 -0.235

множеств. 0.808

Множественный корреляционный анализ показал, что величины большинства характеристик деформативности и прочности практически однозначно определяются величинами фундаментальных свойств волокна, рассматриваемыми в совокупности.

При переходе от парных к частным коэффициентам корреляции, величина коэффициента как правило, снижается, что обусловливается взаимозависимостью фундаментальных свойств и их совместным влиянием. Определяющее влияние на величины большинства характеристик деформативности и прочности сульфатной небеленой целлюлозы оказывает пухлость (V).

5. Прогнозирование зависимости "6-е" хвойной сульфатной небеленой целлюлозы при испытании на растяжение

Проведенные исследования показали, что характер деформирования целлюлозно-бумажного материала при растяжении удовлетворительно описывается феноменологической моделью с применением закона деформирования типичного тела с одним временем релаксации. При деформировании образца с постоянной скоростью V, решение уравнения типичного тела с одним временем релаксации, при и начальных условиях 6(О)=0 имеет вид:

- £/уп

6(1) = Ег-е + УП- (Е1-Е2) (1-е ), (1)

где Е1 - начальный модуль упругости, Е2 - модуль упругости в области предразрушения, п - время релаксации напряжения; V - скорость приложения нагрузки.

Параметры модели Еь Е2 и п предлагается рассчитывать по уравнениям регрессии, используя величины фундаментальных характеристик (средняя длина волокна, пухлость, межволоконные силы связи и нулевая разрывная длина) как входные параметры. Для прогнозирования зависимости "б-е" по уравнению (1), была разработана программа для ЭВМ.

Разработанная модель проверена на образцах сульфатной небеленой целлюлозы с различной степенью делигнификации, степенью помола и массой 1мг. На рис.1 представлены экспериментальные (точки) и расчетные (сплошные линии) кривые зависимости "6-е". Пунктирной линией показаны максимально возможные отклонения хода кривой "б-е" при учете 5% погрешности расчета параметров Еь Е2 и п. Данные свидетельствуют, что разработанная модель пригодна для прогнозирования свойств хвойной сульфатной небеленой целлюлозы.

деформация" образцов сульфатной небеленой целлюлозы: А - 75г/к", 21 ед. Каппа , 40 "ШР ; Б - 12 0г/я*!: 73 ед. Каппа. 1 в^ШР

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1) Разработана новая методика обработки кривых зависимости "усилие-удлинение" и "напряжение-деформация", получаемых при испытании целлюлозного материала на растяжение. Создано математическое обеспечение, позволяющее совместить разрывную машину с ПЭВМ и производить расчет и статистическую обработку различных прочностных и деформационных характеристик и получать усредненную кривую "напряжение-деформация".

2) Установлено, что наблюдаемая в производственных условиях высокая вариация величин характеристик технической целлюлозы обусловлена, главным образом, нестабильностью качества технологической щепы.

3) Показано, что различные процессы производства целлюлозы (варка, горячий размол, промывка) оказывают различное влияние на вариацию характеристик деформативности и прочности, причем наибольшей изменчивостью обладают характеристики, относящиеся к зоне предразрушения образца.

4) Получены математические модели, позволяющие оптимизировать режим варки с целью получения сульфатной небеленой целлюлозы с заданными характеристиками деформативности и прочности. Используя эти модели, установлена избирательность влияния параметров сульфатной варки на характеристики упругости, жесткости и прочности целлюлозы, то есть максимально возможные значения этих характеристик достигаются при различных режимах варки.

5) Подтверждена избирательность воздействия толщины щепы, используемой на варку, на характеристики деформативности и проч-

ности сульфатной небеленой целлюлозы. Установлено, что для производства целлюлозы с повышенными характеристиками деформативности необходима щепа с толщиной 6.0...6.5 мм, а с повышенной прочностью не более 2.5 мм.

6) С привлечением метода ИК-Фурье спектроскопии установлено, что в процессе делигнификации с уменьшением содержания остаточного лигнина происходит уменьшение относительного содержания компонента С2неуп (целлюлозы со структурной модификацией, отличной от нативной целлюлозы, а также других полисахаридов); и возрастание относительного содержания структурных компонентов нативной целлюлозы С1уп и С1неуп- При этом относительное содержание остаточной воды уменьшалось, симбатно с уходом лигнинного и углеводного С2неуП компонентов, а степень структурной организации молекул связанной воды повышалась.

7) Установлено, что бумагообразующие свойства небеленого целлюлозного волокнистого полуфабриката, не подвергнутого размолу, в значительной степени определяются уровнем структурной организации целлюлозной матрицы и молекул остаточной воды. Изменение характеристик деформативности и прочности материала обусловлено главным образом изменением пухлости, зависящей в большей степени от содержания структурных компонентов целлюлозной матрицы, и адгезионной способности, зависящей в большей степени от характеристик прочно связанной воды.

8) Впервые показано, что при размоле сульфатной небеленой целлюлозы в интервале от 13 до 60 °ШР, содержание лигнина определяет характер изменений целлюлозной матрицы и лигносодержащих структур при механическом воздействии на волокно. При повышенном содержанием остаточного лигнина основные изменения величин фундаментальных, деформационных и прочностных характеристик технической целлюлозы связаны при размоле с изменениями лигнинных структур. При размоле технической целлюлозы, с пониженным содержанием остаточного лигнина механическое воздействие приводит к изменениям не только структуры остаточного лигнина, но и структуры углеводной части волокна что и определяет характер изменения величин фундаментальных, деформационных и прочностных характеристик.

9) Установлено, что различная природа свойств деформативности и прочности определяет и различные законы распределения характеристик этих свойств. Для прочностных характеристик, ' величины которых определяются дефектом структуры, наиболее подходящим ока-

зываётся распределение Вейбулла, а для характеристик деформатив-ности, интегрально оценивающих структуру материала - нормальное распределение.

10) Установлено, что величины большинства характеристик де-формативности и прочности технической целлюлозы определяются совокупным воздействием величин фундаментальных свойств волокна, то есть для прогнозирования необходим множественный корреляционный анализ.. Определяющее влияние на величины большинства характеристик деформативности и прочности сульфатной небеленой целлюлозы оказывает пухлость. Использование только парного корреляционного анализа не позволяет сделать надежные выводы о степени влиянии фундаментальных свойств волокна на деформационные и прочностные характеристики сульфатной небеленой целлюлозы.

И) Впервые предложен способ прогнозирования хода кривой зависимости "б-е" сульфатной небеленой целлюлозы через величины фундаментальных характеристик волокна с использованием феноменологической модели деформирования, описываемого уравнением типичного тела с одним временем релаксации. Показана применимость разработанной модели для образцов целлюлозы с различной степенью де-лигнификации, степенью помола и массой 1мг.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Комаров В.И., казаков Я.В., Филиппов И.Б. Зависимость весового показателя (по Иванову С.Н) от средней длины волокна сульфатной небеленой целлюлозы. // ИВУЗ, "Лесн. журн." -1992. -N5. - С.84. . .87.

2. Комаров В.И., Казаков Я.В. Корреляция фундаментальных свойств технической целлюлозы с характеристиками деформативности и прочности (тезисы) // В сб.: Новые достижения в технологии волокнистых полуфабрикатов". Российский научно-технический семинар. Коряжма. 9-10 сентября 1992. -М.: 1992. -С.22...23.

3. Комаров В.И., Казаков Я.В. Связь фундаментальных свойств (по Кларку) неразмолотой сульфатной небеленой целлюлозы с характеристиками деформативности и прочности // ИВУЗ, "Лесн. журн." -1993. -К2-3. -С . 112 ... 116.

4. Комаров В.И.. Казаков я.В. Влияние размола на корреляцию фундаментальных свойств (по Кларку) сульфатной небеленой целлюлозы с характеристиками деформативности и прочности // "Акт. пробл. рацион. использ. природ. и энергет. ресурсов Европ. Севера": сб.науч.тр. -Архангельск: 1993. -С.105..110.

5. комаров В.И., казаков Я.В. Определение времени релаксации напряжения (п) у целлюлозно-бумажных материалов из статических кривых "напряжение-деформация" яри деформировании и нагрухении с постояиной скоростью.//ИВУЗ. "Лесн.журн." -1993.-Н5-б,-С. 130...133.

6. изменения состава и структуры основных компонентов стенки волокна хвойной древесины в процессе сульфатной варки / Д.А.Сухов, о.Ю.йеркачева, В.И.Комаров. Я.В.Казаков // ИВУЗ. "Лесн. журн." -1994. -НЗ. -С.100...104.

7. Влияние структуры стенки волокна на фундаментальные, деформационные и прочностные характеристики сульфатной небеленой целлюлозы. / В.И.Комаров, Я.В.Казаков. Д.А.Сухов, о.ю.Деркачева // ИВУЗ. "Лесн. журн." 1994. НЗ. - с . 105. . . 1 i 1 .

8. Структура и бумагообразующие свойства волокон древесной целлюлозы. / Д.А.Сухов. О.Ю.Деркачева. Т.А.Авраиенко, В.И.Комаров. Я.В.Казаков // Pap For-94. Международ, науч.-техн. конфер. 10...12 окт. С.-Петербург, Россия. -С.17..19.

9. Paper making properties ana struktnre of kraft soft wood pnlp fibers. / D.Sukbov, О . Derkacheva, V.Komarov. V.Kazakov. // "ТПе 8-tb Intern. Symp. on Wood and Pulping Chemistry". Helsinki, Finland, June 6...9. -1995. vol.II. -P.l99...ZOO.

10. Казаков Я.В., Комаров В.И. математическая обработка кривых зависимости "напряжение-деформация", полученных при испытании целлюлозно-бумажных материалов на растяжение // ИВУЗ. "Лесн.журн." -1995. -HI. -С.109. . . 114.

11. Казаков Я.в.. Комаров В.И. Влияние режима варки на де-формативносхь и прочность сульфатной целлюлозы. // ИВУЗ, "Лесн. журн." -1995. -N4-5. -С.94.-.104.

12. Казаков я.в.. комаров В.И. Программа для математической обработки кривых зависимости "напряжение-деформация", полученных при испытании целлюлозно-бумажных материалов на растяжение // Ин-форм. листок N80. -Архангельск: ЦНТИ. -1996. -6с.

13. Комаров В.И.. Казаков Я.В. Влияние технологических факторов на корреляцию характеристик деформативности и прочности сульфатной небеленой целлюлозы // Лесохимия и орг. синтез. Тезисы докл. 1 Всесоюз. совет. Коми научи, центр УрО РАН. -Сыктывкар: - 1996.-С.86.

14. Комаров В.И.. Казаков Я.В. Влияние качества цепы на де-форматнвность и прочность хвойной сульфатной небеленой целлюлозы // 2 международ. симп. "Строение. свойства и качество древеси-НЫ-96": тезисы докл. -М.: МГУЛ. -1996. -С.57.

15. Комаров В.И.. Казаков Я.В. Влияние качества щепы на де-Формативнооть и прочность хвойной небеленой целлюлозы // "Строение. свойства н качество древесины-96" Сб. науч. тр. II международ. симпоз.. 21. ..24 окт., -1996 . -Москва-Мытищи. МГУЛ. -1997. -С.76. . .81 .

16. Корреляция характеристик структуры стенки волокна и деформативности и прочности образцов сульфатной небеленой целлюлозы. изменяющихся в процессе размола. / В.И.Комаров. Я.В.Казаков. Д.А.Сухов. о. Ю.Деркачева // ИВУЗ. "Лесн. журн." -1998. -Kl. -С.57 ... 66.

17. Комаров В.И.. Казаков Я.В. Сульфатная небеленая целлюлоза с повышенной деформагивностыо // Поморье в Баренц регионе: экология, экономика, специальные проблемы, культура: Тезисы докл. 3 Меасдународ. конференции. -Архангельск: 1997. -с. 57...58.

18. Комаров В.И.. Казаков Я.В. програмкное обеспечение лабораторного комплекса для оценки механического поведения целлюлозно-бумажных материалов при приложении растягивающей нагрузки // "разработка импортозамещающих технологий и материалов в химико-лесном комплексе": материалы международ. науч.-техн. конф. -МИНСК. БГТУ. 1997. -С.257...259.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах с заверенными гербовой печатью подписями просим направлять по адресу:

163007, г.Архангельск, Набережная Северной Двины, 17, АГТУ, диссертационный совет К 064.60.01

Лицензия ЛР N 020460 от 10.04.97 г. Сдано в производство 18.05.98. Подписано в печать 18.05.98. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 1.0. Уч.-изд. л. 1.0. Заказ N 61. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Издательстве АГТУ.

163007, г.Архангельск, наб. Северной Двины, 17.