автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Характеристики деформативности как основополагающий критерий в оценке качества целлюлозно-бумажных материалов

На правах рукописи УДК 676.017

КАЗАКОВ Яков Владимирович

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕФОРМАТИВНОСТИ КАК ОСНОВОПОЛАГАЮЩИЙ КРИТЕРИЙ В ОЦЕНКЕ КАЧЕСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ 18 МАР 2015

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

005560641

Архангельск 2015

005560641

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова»

Научный консультант - доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ I Комаров Валерий Иванови^

Официальные оппоненты - Аким Эдуард Львович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии целлюлозы и композиционных материалов, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров», член Консультативного Комитета ФАО ООН по устойчивости лесного сектора

Грунин Юрий Борисович

доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой физики ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет».

Алашкевич Юрий Давыдович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машин и аппаратов промышленных технологий ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», г. Екатеринбург

Защита состоится «15» мая 2015 года

в 10 — часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.02 в Северном (Арктическом) федеральном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова и на сайте www.narfu.ru

Автореферат разослан " 2015 года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук, доцент

Т.Э. Скребец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Техническая целлюлоза, бумага и картон являются продуктами глубокой химической переработки растительного сырья, главным образом, древесины, по запасам которой Россия занимает одно из первых мест в мире. Решение задач, стоящих перед отечественной бумажной промышленностью, предусматривает интенсификацию и совершенствование существующих технологических процессов, в основном связанных с повышением качества бумаги и картона и рентабельности производства.

Бумага и картон как волокнистые материалы являются сложными гетерогенными по составу и структуре объектами исследования, производства и эксплуатации. При этом, обладая специфическими физико-механическими свойствами, бумага и картон проявляют признаки биополимерного и композиционного материала. На всех этапах создания и совершенствования технологии бумаги и картона внимание ученых и инженеров было направлено на изучение, прежде всего, влияния свойств волокнистых полуфабрикатов, условий формования и формирования их структуры, способов обработки, переработки и эксплуатации.

Во второй половине двадцатого века ведущими учеными и специалистами в области производства бумаги и картона (С.Н.Иванов, Д.М.Фляте, Э.Л.Аким, Б.П.Ерыхов, М.В.Фролов, В.И.Комаров, Кейси, Пейдж, Калмес, Ван дер Аккер, Ни-сконен, Трайдинг) и их учениками всесторонне изучалась взаимосвязь физико-механических свойств бумаги и картона со структурными свойствами, которые, как было доказано, зависели от свойств используемых на то время полуфабрикатов и условий производства на бумагоделательных (БДМ) и картоноделательных (КДМ) машин. Проведенные фундаментальные исследования легли в основу производства широкого ассортимента бумаги и картона.

Несмотря на проведенные ранее значительные теоретические и экспериментальные исследования, направленные на совершенствование прочностных характеристик бумаги и картона, исследователи недостаточно уделяли внимание деформационным свойствам этих материалов. Это можно объяснить, с одной стороны, объективной сложностью и многообразием протекающих физико-химических, гидродинамических и тепловых процессов, обусловливающих образование анизотропной гетерогенной волокнистой структуры целлюлозно-бумажных материалов. С другой стороны, деформационные свойства изготовляемых в то время бумаги и картона вполне удовлетворяли переработчиков этих материалов.

В настоящее время существенно изменилась технология производства бумаги и картона. Для получения бумаги и картона более широко используются целлюлоза лиственных пород древесины и макулатура. Значительно повысилась производительность БДМ и КДМ за счет увеличения их скорости, и, в ряде случаев, это сопровождается снижением массы 1 м2. Естественно полагать, что учет этих факторов необходим при реализации мероприятий по приданию бумаге и картону требующихся деформационных свойств, которые обуславливают их пригодность для переработки на высокоскоростном оборудовании.

Совершенствование деформационных свойств бумаги и картона возможно на принципиально новом инженерном подходе, принятом в современном материаловедении, который использует прогнозирование напряжений и деформаций в материале, исходя результатов, получаемых при испытании материалов на растяжение (модуль упругости, предел упругости, предел упругой деформации, характеристики вязко-

упругости). В результате появляется возможность более достоверной оценки поведения материала при переработке и дальнейшей эксплуатации. Учет теоретических представлений о явлениях, происходящих при деформировании и разрушении материала, применение современных прогрессивных методик для оценки качества полуфабрикатов и материала необходимы для производства материалов с заданными свойствами.

Поскольку для реального целлюлозно-бумажного волокнистого материала линейной корреляции между прочностными и деформационными характеристиками из-за особенностей структуры может не наблюдаться, то деформационные характеристики, определяемые в условиях сохранения целостности материала, обладающие максимальной чувствительностью к структурным изменениям в материале, могут стать основными при совершенствовании технологии бумаги и картона.

В этой связи совершенствование технологии бумаги и картона на основе изучения их деформационных свойств является весьма актуальным и своевременным. Результаты работы решают крупную научно-техническую проблему, имеющую важное хозяйственное значение для современной целлюлозно-бумажной промышленности.

Цель и задачи исследования. Цель работы — развитие научных основ оценки и прогнозирования деформационных и прочностных характеристик бумаги и картона во взаимосвязи со свойствами волокнистых полуфабрикатов, технологическими аспектами их производства и с учетом современных фундаментальных знаний в области структурной механики материалов.

Для реализации данной цели поставлены и решены следующие задачи:

1) разработать методическое обеспечение новых способов определения структурных, деформационных и прочностных характеристик целлюлозно-бумажных материалов при растяжении, сжатии и изгибе, включая аппаратурное и программное обеспечение;

2) установить количественные зависимости между фундаментальными характеристиками волокна и структурными, деформационными и прочностными характеристиками бумаги и картона при растяжении, сжатии и изгибе;

3) дать количественную оценку влияния технологических факторов на деформационное поведение при растяжении и характеристики деформативности и прочности технической целлюлозы, бумаги и картона лабораторного и машинного изготовления;

4) установить закономерности развития общих и локальных деформаций и напряжений в образцах бумаги и картона при растяжении;

5) предложить теоретическую концепцию формирования деформационных и прочностных свойств волокнистой структуры;

6) разработать математические модели для прогнозирования свойств бумаги и картона с использованием характеристик волокна и макроструктуры листа;

7) разработать способ прогнозирования деформационных и прочностных свойств гофрированного картона и ящиков из гофрированного картона.

Научная новизна. Сформулирована и реализована на практике концепция комплексной оценки качества волокнистой массы и листовых целлюлозно-бумажных материалов, включающая теоретическое, методическое и программное обеспечение методов определения структурных, деформационных и прочностных характеристик при растяжении, сжатии и изгибе.

Установлены количественные зависимости между фундаментальными характеристиками волокна, характеристиками неоднородности структуры и деформационными и прочностными характеристиками бумаги и картона.

Определено влияние химического, при сульфатной варке, и механического, при размоле, воздействий на структуру стенки волокна технической хвойной небеленой целлюлозы и влияние изменений структуры стенки волокна на характеристики де-формативности и прочности.

Экспериментально обоснована и практически реализована методика прогнозирования деформационных и прочностных свойств бумаги с использованием характеристик композиции и свойств волокон с учетом неоднородности макроструктуры листа.

Разработан и экспериментально подтвержден метод прогнозирования деформационного поведения целлюлозно-бумажного материала при растяжении с использованием феноменологического подхода на основании данных о структурно-морфологических характеристиках, полученных на автоматическом анализаторе волокна.

Разработан и экспериментально обоснован новый методологический подход к оценке неравномерности поля напряжений и деформаций в образце бумаги при растяжении. Установлены закономерности распределения локальных деформаций в упругой области, области развития замедленно упругих деформаций и в области предразрушения.

На основании анализа обширного экспериментального материала предложена теоретическая концепция формирования деформационных и прочностных свойств бумаги и картона из растительных волокон.

Показана необходимость использования деформационных характеристик гофрокартона и гофротары при сжатии для оценки пригодности гофроящиков к штабелированию. Доказана целесообразность контроля и нормирования жесткости при изгибе гофрированного картона.

Практическая ценность. Разработано методическое обеспечение методов определения структурных, деформационных и прочностных характеристик целлюлозно-бумажных материалов при растяжении, сжатии и изгибе, включая аппаратурное и программное обеспечение. В федеральной службе по интеллектуальной собственности (Роспатент) зарегистрировано 10 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ. Методики из разработанного комплекса использованы при подготовке 3 докторских и 22 кандидатских диссертаций, а также апробированы для оценки качества волокнистых целлюлозно-бумажных материалов на предприятиях отечественной целлюлозно-бумажной промышленности и в научно-исследовательских организациях.

По результатам исследований разработаны 3 новых отечественных прибора для оценки деформационных и прочностных свойств целлюлозно-бумажных материалов при растяжении и сжатии, что подтверждено актами. Приборы используются на предприятиях Российской бумажной промышленности при контроле качества сырья и готовой продукции.

Разработана методическая база для анализа качества бумажной массы и контроля работы массоподготовительного отдела бумажной фабрики и бумагоделательной машины с целью максимального использования бумагообразующего потенциала бумажной массы. Данная методика внедрена на ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика».

Установлены закономерности формирования характеристик деформативности и прочности целлюлозно-бумажных материалов (сульфатной хвойной небеленой целлюлозы, сульфатной лиственной беленой целлюлозы, писчей бумаги, картона для плоских слоев гофрированного картона) на различных стадиях производства.

Разработанный метод количественной оценки распределения локальных деформаций в образце позволяет прогнозировать развитие локальных критических напряжений в образце и наметить пути оптимизации композиции бумаги с целью снижения неоднородности поля напряжений.

Рассчитаны, апробированы и предложены для использования нормы величин жесткости при изгибе трёхслойного гофрокартона для марок Т21-Т27'и пятислойного гофрокартона для марок П31-П36. Разработана методика прогнозирования прочности гофороящиков при сжатии в условиях длительного действия нагрузки с учетом релаксационных процессов при изменении климатических условий. Разработана и принята для использования на производстве компьютерная программа, выполняющая расчёт необходимого уровня прочности при сжатии гофроящика известного назначения в зависимости от содержимого, условий хранения и штабелирования, а также выбор композиции гофрированного картона для выработки гофроящиков данного типа, обеспечивающих заданный уровень прочности ящика.

Методология и методы исследований. Методологической основой диссертационной работы является комплекс разработанных и усовершенствованных методик определения фундаментальных, структурно-размерных, деформационных и прочностных характеристик целлюлозно-бумажных материалов, базирующийся на научных, теоретических и практических разработках, с применением стандартных методов и комплексного анализа свойств бумаги при использовании взаимодополняющих современных и традиционных физико-химических и механических методов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на Всероссийских и международных научно-технических конференциях в г. Санкт-Петербурге (1994, 2004, 2006 гг.), г.Минске, Республика Беларусь (1997, 1999г.), г.Сыктывкаре (2000, 2006гг.), г.Петрозаводске (2000г.), г.Москве (2003г.), г.Барнауле (2005, 2009, 2012гг.), г. Красноярске (2005, 2006 гг.), г. Архангельске (2000, 2002, 2004, 2006, 2011, 2013 г.), в п.Караваево (2002-2013 гг.); г. Златибор, Сербия (2007-2013 гг.), Лаапенранта, Финляндия (2007 г.), Хельсинки, Финляндия (2008), Стокгольме, Швеция (2012 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях Архангельского государственного технического университета и Северного (Арктического) федерального университета имени М.В.Ломоносова (1996-2012 гг.).

Достоверность научных положений и выводов, приведенных в диссертационной работе, базируется на результатах обработки большого массива экспериментальных данных, полученных с использованием взаимодополняющих химических и физических методов исследования, как стандартных, так и вновь разработанных, а также на высоком уровне метрологического обеспечения исследований, применении современных методов и оборудования, математической и статистической обработке экспериментальных данных с применением компьютерной техники и программного обеспечения.

Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 49 работах, 17 статей опубликовано в журналах, рекомендованных ВАК; получено 10 Свидетельств РФ о регистрации программ для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности (Роспатент).

Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя: введение, обзор литературы, основную часть, включающую 5 разделов, общие выводы, список использованных источников и приложение. Содержание работы изложено на 534 страницах, включая 228 рисунков и 103 таблицы, список источников содержит 437 наименования, приложение на 19 страницах.

Вклад автора. Диссертантом разработана научная концепция, поставлены и обоснованы цель и задачи работы, выбраны и усовершенствованы методики исследования, интерпретированы и обобщены полученные результаты. Автор принимал непосредственное участие в выполнении всех экспериментальных исследований и обработке полученных данных. Публикации написаны им лично или в соавторстве при его непосредственном участии. Основные положения и выводы сформулированы автором лично.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- методология комплексной оценки характеристик качества целлюлозно-бумажных материалов на всех стадиях технологического процесса;

- использование характеристик деформативности при растяжении целлюлозно-бумажных материалов для повышения достоверности оценки качества с точки зрения измерения величины и прогнозирования уровня потребительских свойств бумаги и картона при конечном использовании;

- разработанная теоретическая концепция влияния базовых характеристик волокна и макроструктуры листа на деформационное поведение при растяжении волокнистых целлюлозно-бумажных материалов;

- закономерности формирования макроструктуры и деформационных свойств различных видов бумаги и картона в технологических потоках производства;

- способ прогнозирования характеристик прочности и деформативности бумаги на основе установленных количественных зависимостей между свойствами волокна, макроструктуры и свойствами листа;

- способ описания состояния целлюлозных волокон в стохастической сетчатой структуре бумажного листа и в бумажной массе с использованием вероятностной функции распределения;

- разработанный способ количественной оценки и установленные закономерности развития локальных деформаций и напряжений в образцах бумаги и картона при растяжении;

- разработанные нормы величин жесткости при изгибе трехслойного и пяти-слойного гофрированного картона;

- способ прогнозирования прочности гофороящиков при сжатии и их способности к штабелированию в условиях длительного действия нагрузки с учетом релаксационных процессов при изменении климатических условий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава содержит аналитический обзор научной и технической литературы, в котором рассмотрено современное состояние, проблемы и способы решения проблем, связанных с контролем и прогнозированием деформационных свойств целлюлозно-бумажных материалов. Представлен анализ влияния волокнистых полуфабрикатов и технологических факторов на процессы, происходящие в структуре бумаги и картоне при деформировании, а также рассмотрены современные методы использования различных методов прогнозирования свойств бумаги и картона с перспективой

применения для оптимизации технологических процессов. Показано, что для реализации инженерного подхода к решению задач материаловедения и конструирования применительно к целлюлозно-бумажным материалам, ключевое значение имеет использование для прогнозирования напряжений и деформаций в образце характеристик, получаемых при испытании на растяжение.

Результаты экспериментальных исследований изложены в 5 главах.

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА РАСТЯЖЕНИЕ, ИЗГИБ И СЖАТИЕ ВОЛОКНИСТЫХ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ

При проведении исследований проведены испытания образцов целлюлозы, бумаги и картона лабораторного и производственного изготовления.

Методы анализа свойств волокна

При решении проблемы достоверной оценки качества, пригодности волокнистых полуфабрикатов для изготовления определенного вида бумаги и прогнозирования механических характеристик бумаги, изготовленной из них, в исследовательской практике используются предложенные Дж. Кларком пять основных (или фундаментальных) свойств: средняя длина, когезионная способность, способность к уплотнению во влажном состоянии, грубость, собственная прочность волокна.

В данной работе при определении средней длины волокна применяли микроскопический и весовой (по С.Н. Иванову) методы, а с 2009 года - автоматический анализатор волокна Fiber Tester (Lorentzen & Wettre).

Для оценки величины межволоконных сил связи использовали метод С.Н. Иванова, основанный на определении усилия разрыва двухслойного образца методом сдвига в плоскости слоев. Обнаружено, что полученная величина не совсем точно характеризует межволоконные силы связи, что проявляется в прекращении роста этого показателя при увеличении степени помола образцов более 35 °ШР.

Качественная информация о состоянии поверхности была получена с помощью электронной микроскопии , рисунок 1. При разделении двухслойных образцов, у сла-боразмолотых целлюлоз происходит выдергивание концов волокон из структуры (рисунок 1, а), что указывает на значительную роль механических сил сцепления.

а б

Рисунок 1 - Микрофотографии поверхности двухслойных образцов сульфатной небеленой целлюлозы после разделения под воздействием сдвиговой нагрузки (получены на электронном микроскопе Zeiss SIGMA VP): а - 15°ШР; б-40°ШР 'Работа выполнена на оборудовании ЦКП НО «Арктика» (Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова)

У образцов после размола до 40 °ШР (рисунок 1, б) поверхность становится более консолидированной, а количество волокон, вытаскиваемых из структуры, незначительно. Процессы внешнего фибриллирования приводят к преобладанию водородных связей, поскольку сомкнутая и ровная поверхность слоев двухслойной отливки не позволяет волокнам из одного слоя зацепляться за неровности другого слоя.

Для оценки собственной прочности целлюлозных волокон использовали косвенную характеристику - нулевую разрывную длину. Первоначально для определения нулевой разрывной длины использовались специальные приставки к разрывной машине, обеспечивающие «нулевое» расстояние между зажимами разрывной машины. С 2010 года применяется прибор для определения сопротивления разрыву при нулевом зазоре - Pulmac Zero Span Tensile Tester, согласно TAPPI T231.

Развитие методов получения и математической обработки кривой зависимости «напряжение-деформация» при испытании на растяжение

При оценке качества целлюлозно-бумажных материалов важным является испытание на растяжение. Отечественным стандартом регламентируется определение прочности по характеристикам: разрушающему усилию F, разрывной длине L и пределу прочности при растяжении (точнее, разрушающему напряжению) сгр, и производным от них. В конце 20 века в России эти характеристики получали при испытании материала на устаревших разрывных машинах маятникового типа (РБ, РМБ). Стандартные характеристики прочности целлюлозно-бумажных материалов обладают рядом недостатков, и наиболее серьезный из них - невозможность использования для прогнозирования поведения материала в процессах переработки и эксплуатации при нагрузках меньших, чем разрушающие.

Зависимость напряжение-деформация («ст-e»), получаемая путем обработки индикаторной диаграммы нагрузка-удлинение («F-Д/») при статических испытаниях на растяжение, позволяет оценить сам процесс деформирования, является интегральной характеристикой механических свойств и широко применяется в материаловедении.

При приложении растягивающей нагрузки в образцах бумаги и картона наблюдается несколько стадий развития деформаций, рисунок 2: 0... 1 - упругая зона; 1 ...2 -замедленно-упругая зона; 2...3 - зона предразрушения, деформация в ней происходит в условиях интенсификации процессов разрушения и заканчивается разделением образца на части; точки Э и П характеризуют замедленно-упругую зону, отмечая завершение обратимых и появление необратимых деформаций [6].

Кривая «напряжение-деформация» может рассматриваться как индикатор состояния структуры целлюлозно-бумажного материала, поскольку любые изменения структуры приводят к изменению хода кривой «о-е» и, как следствие, величин деформационных характеристик.

При проведении исследований на базе методики получения кривой «a-s» на разрывной машине ZM-10, алгоритмов обработки получаемой диаграммы и программного обеспечения для ЭВМ ЕС, разработанных В.И. Комаровым и Ю.Г. Хабаровым, нами был уточнен алгоритм обработки и разработана программа для ПЭВМ. Набор вычисляемых характеристик расширен и введено в практику получение средней кривой «о-8» [6,8]. Затем была автоматизирована процедура получения диаграммы «F-Д/» за счет передачи сигнала, регистрируемого в процессе испытания, непосредственно на ПЭВМ и модернизировано программное обеспечение [12].

В 1998 г. в лаборатории физики бумаги кафедры технологии ЦБП Архангельского ГТУ был установлен лабораторный испытательный комплекс, включающий

разрывную машину ИГО 158-0,5Б и ПЭВМ, выпущенный на предприятии "ТОЧПРИ-БОР", г. Иваново. Первая в России и странах СНГ разрывная машина с блоком микропроцессорного управления ИП5158-0,5Б, изготовленная по техническому заданию, разработанному на кафедре ТЦБП АГТУ, позволяет проводить испытания в режимах растяжения до разрушения и циклирования при скоростях от 1 до 500 мм/мин [17].

Рисунок 2 - Зависимость напряжение-деформация Рисунок 3 - Разрывная машина «Тест-

для целлюлозно-бумажного материала система-101» (г. Иваново, Россия)

Разработанное нами программное обеспечение позволяет получить широкий спектр характеристик деформативности и прочности и оценить кинетику деформирования материала [13,24,50]. Регистрируемые в процессе испытания изменения нагрузки и удлинения передаются через СОМ-порт (интерфейс 115-232) на персональный компьютер. Принятые данные в виде массива до 1000 точек, снятых с интервалом 20 мс (нагрузка, Н - перемещение, мм), сохраняются в файле на магнитном диске и выводятся на экран монитора в виде графика.

В 2005 году на ООО «ИТС» (г.Иваново) по техническому заданию, разработанному на кафедре технологии ЦБП АГТУ, организовано производство разрывной машины «Тестсистема 101» для оценки деформативности и прочности целлюлозно-бумажных материалов, рисунок 3, которая была поставлена на отечественные предприятия бумажной промышленности. Данный прибор, совместно с разработанным нами программным обеспечением [50], позволяет получить более полную характеристику механического поведения целлюлозно-бумажного материала, по сравнению с зарубежными аналогами. В настоящее время прибор функционирует в ИТЦ «Современные технологии переработки биоресурсов Севера» САФУ.

При выполнении математической обработки на ПЭВМ экспериментальных кривых нагрузка-удлинение, переданных с ИТС-101, полученных при параллельных испытаниях единичных образцов, рисунок 4,а, производится построение кривых «с-е» всех испытанных образцов серии, рисунок 4,6, и построение средней кривой (рисунок 4,в). Дальнейшие расчеты выполняются только по средней кривой: выделение начального и конечного прямолинейных участков; вычисление модулей упругости начального (£)) и в области предразрушения (Е2); а также определение характерных точек зависимости напряжение-деформация: предел упругости (1); эффективная точка (Э); точка начала пластических деформаций (П); точка начала дополнительной

вытяжки (В); точка разрушения образца (Р), рисунок Л,г. В каждой точке вычисляются характеристики: нагрузка (.Р, Н), удлинение (Д/, мм), напряжение (ст, МПа), деформация (е), работа деформирования (А, мДж), текущий (£„ МПа) модуль упругости и модуль общей деформации (£од, МПа).

Ji^ 1 i

" «i'»1 Jp"..... ...и........

/ i !

_|'.'> И-" - I

J а»~| с »-«.i

j

/У

я.я '¡ш ití

Ч ; ■ j

1« ' Ea:t'

- (iiSiaJ

Рисунок 4 - Этапы математической обработки кривой зависимости «ст-е» по программе [50]: а - результаты единичного испытания; б - экспериментальные кривые «о-в» для всех параллельных образцов; в - построение средней кривой «а-е»; г - результат обработки

Результаты расчетов представляются в виде таблиц и графиков и выводятся на экран монитора с предоставлением возможности вывода на печать и вывода в текстовый файл ANSI для последующей обработки (рисунок 5).

Испытания и обработка серии 5 параллельных определений занимает около 10 минут и позволяет получить распечатку, содержащую до 50 характеристик. Хранение исходных данных на диске позволяет произвести повторные вычисления.

Определение характеристик трещиностойкости целлюлозно-бумажных материалов

Способность целлюлозно-бумажных материалов сопротивляться распространению трещины во многом определяет безобрывность работы оборудования в процессах изготовления, переработки и использования бумаги и картона.

Нами реализована процедура определения характеристики вязкости разрушения Jic (величины J-интеграла) согласно SCAN-P77:95 [15], и разработано собственное программное обеспечение, позволяющее выполнить измерение на разрывной машине ИП5158-0,5Б или ИТС-101 [51]. Проводятся две серии испытаний при скорости

растяжения 100 мм/мин и расстоянии между зажимами 100 мм. В первой серии испы-тываются образцы шириной 15 мм и рассчитываются параметры материала; во второй - образцы шириной 50 мм с надрезом в центре, длиной 20 мм, перпендикулярно продольной оси образца, и рассчитываются характеристики трещиностойкости.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТОВ

Материал - Лиственная целлюлоза, варка 15 Длина образцов - 100,0 мм; Ширина образцов - 15,0 мм; Скорость испытания - 50 мм/мин Испытано образцов - 5

Данные записаны в файле - varkal5.dat Средняя толщина образца - 139,6 мкм Разрывная длина - 11500 м Плотность - 0,875 г/см3

Жесткость при растяжении St - 1134,2 кН/м ТЕА - 188, 65 Дж/м2

Величины характеристик в точках кривой:

|Хар-ка |Ед.изм| 1 1 Э 1 П 1 В 1 р 1

1 Р 1 н 1 48,93 | 131,79 | 156,32 1 191,22 | 211,21 I

| Напр. 1 МП а 1 23,37 | 62, 94 | 74, 65 1 91, 32 1 100,86 |

| Удлин. 1 мм 1 0,294 | 0,919 1 1,189 1 1,740 1 2,175 |

1 Дефор. 1 % 1 0,29 | 0,92 | 1,19 1 1,74 1 2,17 |

| Работа 1 мДж 1 6,5 1 64,1 | 100,8 1 195, 9 | 283,0 |

1 Et | МП а 1 8124 | 4902 | 3811 1 2453 | 2087 |

1 Еод 1 МП а 1 7958 | 6850 | 6280 1 5248 | 4637 |

1 п 1 сек 1 —" 1 22,3 | 18,3 1 14,2 | 12,6 j

Величины характеристик в точках кривой в % от разрушающего:

|Хар-ка 1 1 1 э 1 п 1 в 1 Р 1

1 Р 1 23 2 | 62,4 | 74, 0 | 90 5 | 100 0 1

| Напр. 1 23 2 1 62,4 1 74,0 | 90 5 1 100, 0 1

| Удлин. 1 13 5 1 42,2 1 54,7 1 80, 0 1 100, 0 1

1 Дефор. 1 13 5 1 42,2 1 54,7 1 80, 0 1 100, 0 1

| Работа 1 2 3 1 22, 6 1 35,6 | 69 2 | 100 0 I

| Et 1 389 3 1 234,9 | 182,6 1 117 6 1 100, 0 1

1 Еод 1 171 6 1 147,7 | 135,4 | 113 2 1 100, 0 1

1 п 1 — 1 176,6 | 145,0 | 112 4 | 100 0 1

Составляющие общей деформации и работы, %

| Зоны | Деформация | Работа |

| Упругая 1 13,5 | 2,3 |

| Зам.упр. 1 66,5 | 66,9 |

| Пластич. 1 20,0 | 30,8 |

Рисунок 5 - Результат математической обработки кривой зависимости "ст-е" по программе [50]

Определение характеристик деформативности при изгибе целлюлозно-бумажных материалов

На начальных этапах исследований определение жесткости при изгибе выполнялось на приборе ЖБИ-1, на котором испытание производится под действием задан-

ной нагрузки на образец без действия собственного веса. Результирующее значение жесткости при изгибе El выражается в мН-см\

С 2005 г. использован стандартный двухточечный метод (ГОСТ ISO 2493-96), заключающийся в определении силы, приложенной к свободному концу консольно-закрепленного образца и изгибающей его на определенный угол. Результирующее значение жесткости при изгибе Sb выражается в Н-м.

Нами была разработана методика измерения жесткости при изгибе и исследования релаксационных процессов в структуре целлюлозно-бумажных материалов применительно к условиям статического изгиба, осуществляемого на приборе «Messmer Büchel Stiffness Tester 116-BD». Организована регистрация выходного сигнала тензодатчика, разработано программное обеспечение [52].

Разработка приборного и методического оснащения метода SCT

В России метод SCT (short (span) compression test) - сопротивление сжатию короткого участка образца (STFI и «Lorentzen & Wettre», Швеция), получает все более широкое распространение. До 2009 года в России таких приборов не производилось.

Первый отечественный прибор ИТС-403 (рисунок 6) для испытания бумаги и картона на сжатие по методу SCT, позволяющий получить ряд характеристик деформации сжатия, разработанный и изготовленный на ООО «ИТС» по техническому заданию, разработанному на кафедре технологии ЦБП [38], с ноября 2009 г. функционирует в Архангельском ГТУ. При обработке получаемой на приборе ИТС-403 Рисунок 6 - Прибор ИТС-403 для кривой зависимости «нагрузка-смещение», испытания бумаги и картона на сжатие по кроме величины SCT, рассчитывается

методу SCT спектр деформационных характеристик,

в том числе, жесткость при сжатии Sc, определяемая по максимальному углу наклона касательной, которая описывает жесткостные свойства картона.

Таким образом, с разработкой и усовершенствованием методов определения характеристик деформативности при растяжении, изгибе и сжатии, т.е. расширением аналитической способности методов испытаний, появилась возможность комплексной оценки жесткости целлюлозно-бумажных материалов с применением характеристик жесткости при растяжении S„ изгибе Sb, и сжатии Sc.

При обработке результатов экспериментов использованы методы парного и множественного корреляционного и регрессионного анализа с применением собственного программного обеспечения с возможностью расчета коэффициентов парной, частной и множественной корреляции.

3 КОЛИЧЕСТВЕННАЯ И КАЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА СТРУКТУРЫ ВОЛОКНИСТЫХ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изучение пространственной структуры (микро- и макроструктуры) бумаги и получение количественных закономерностей, связывающих характеристики неоднородности структуры бумаги с её физико-механическими и потребительскими свойствами является востребованной задачей. Для контроля макроструктуры бумаги оптимальным считается оптический метод [20].

Для количественной оценки просвета бумаги и, следовательно, неоднородности макроструктуры и качества формования использованы характеристики, определяемые на автоматическом анализаторе просвета «АНФОР 02-2», которые подразделяются на 3 группы: показатели неравномерности распределения массы в образце (избыток массы в образце Мизб; недостаток массы в образце А/нед; неравномерность распределения масс й7; отношение распределения масс Q); показатели оптической неоднородности бумаги (неоднородность просвета о; контрастность К; светопропускание Т, %; индекс формования Н)-, геометрические показатели неоднородности (средние размеры неод-нородностей в продольном /пр0д, мм и поперечном /ПОПер> мм направлениях; анизотропия А; средний размер неоднородностей г/сред, мм).

Обнаружено, что для одного вида бумаги в зависимости от технологии изготовления, неоднородность просвета ст варьируется в диапазоне от 4,3 до 5,0, средний размер неоднородностей с/сред от 3,9 до 4,5 мм, светопропускание от 32 до 36 % для бумаги массой 80 г/м2 и в пределах 75 % для бумаги массой 1 м2 45 г. Разброс характеристик для картона существенно выше, поскольку для этих видов материала применяются различные технологии, оборудование, а также большое влияние оказывает композиция картона и масса 1 м2. Значения неоднородности просвета ст варьируются от 12 до 20, средний размер неоднородности £/сред от 6 до 36 мм. Диаграмма, отражающая сравнительную характеристику показателей просвета бумаги и картона, представлена на рисунке 7. Использование данного метода позволяет четко определять различия в качестве формования, в том числе и для одинаковых видов бумаги и картона. Визуальная качественная оценка неоднородности структуры на просвет подтверждается количественными характеристиками.

Миэб Мизб

— Ballet classic. ОАО «Светогорский ЦБК»

q —Zoom,«Slora Enso», Финляндия

—Для копировально-множительной техники, ОАО «Архангельский ЦБК»

— топ-лайнер, ОАО "МБП Сыктывкарский ЛПК"

— крафт-лайнер, ОАО "МБП Сыктывкарский ЛПК"

— крафт-лайнер, ОАО «Архангельский ЦБК»

Рисунок 7 - Показатели качества просвета: а - бумаги офисной, б - картона тарного

Для проведения эксперимента по оценке изменчивости показателей просвета писче-печатной бумаги были использованы производственные образцы [20]. Результаты для 10 отборов представлены в таблице 1.

Установлено, что нестабильность качества просвета бумаги во времени, вызванная колебаниями технологических параметров производства бумаги, существенно выше, чем нестабильность, обусловленная свойствами материала, что подтверждается величиной коэффициента вариации V, %. По статистическим характеристикам показатели неравномерности распределения массы Миз6; Мнед; Ж; (2 имеют самую высокую нестабильность. У показателей оптической неоднородности о; АТ; Т; Н нестабильность примерно в два раза меньше, а показатели геометрических размеров неоднородностей /„р0Д; /п0пер, А; с/сред наиболее стабильны.

Можно предположить, что величина показателей геометрических размеров неоднородностей определяется работой оборудования сеточного стола БДМ (эти пока-

затели наиболее стабильны), а показатели неравномерности распределения массы проявляют нестабильность из-за колебаний параметров технологического процесса, например, степени помола или расхода химикатов системы удержания. Таблица 1 - Статистическая характеристика показателей качества просвета бумаги

Характе- С наката БДМ После суперкаландра

ристика Дер Xniin Xmax csx v, % Дер %-min -^тпах а, V, %

Мз б 0,37 0,25 0,62 0,103 28,3 0,34 0,22 0,49 0,085 24,8

Мед 0,36 0,24 0,61 0,104 28,7 0,40 0,27 0,69 0,125 31,1

W 0,73 0,54 1,23 0,200 27,5 0,75 0,51 1,18 0,199 26,6

Q 1,05 0,87 1,46 0,187 17,8 0,92 0,75 1,36 0,184 20,1

а 4,6 4,0 5,5 0,45 9,9 4,5 3,9 5,0 0,47 10,3

К 0,027 0,021 0,034 0,004 15,3 0,027 0,019 0,32 0,004 13,7

Т, % 41 35 48 4,17 10,1 42 35 47 4,09 9,8

Н 70,6 60,2 86,3 7,37 10,4 69,9 63,9 79,2 6,07 8,7

АфОД, мм 8,7 8,0 9,5 0,52 6,0 8,7 8,0 9,7 0,51 5,8

'попер, мм 8,7 8,0 9,5 0,45 5,2 8,7 7,9 9,6 0,58 6,6

А 1,00 0,91 1,08 0,065 6,5 1,00 0,89 1.11 0,080 8,0

dcvcai мм 3,9 3,7 4,2 0,13 3,4 3,9 3,8 4,2 0,17 4,3

Каландрирование, то есть обработка бумаги давлением с целью повышения гладкости и плотности, практически не уменьшает величины характеристик неравномерности просвета. В то же время незначительно снижается их вариация.

Оценка качества формования оптическим способом выполнена для шести видов картона-лайнера с массой 1 м2 125, 140 и 150 г. Выборка составляла от 27 до 156 образцов картонов: топ-лайнер с беленым покровным слоем (KTL), универсальный (KU), крафт-лайнер марки КО (/¡"0), крафт-лайнер марки КВС (KVS), рисунок 8.

ш

л

140KTL 140KU Картон-лайнер

б

125КП. 125Ки 140К~П_ 140Ки 150КС5 150КУ5 ,25к

Картон-лайнер а

Рисунок 8 - Средние значения характеристик просвета картонов-лайнеров: а - неоднородность просвета; б - неравномерность распределения масс

Наилучшие показатели просвета у картона с беленым покровным слоем КТЬ, что подтверждает хорошие печатные свойства наружного слоя. Картон универсальный Ки, по сравнению с картоном КТЬ той же массы 1 имеет худшие показатели качества формования (это наиболее дешевый материал). Отмечено, что производители картона КУБ, повышая механические характеристики картона, одновременно добиваются и улучшения качества формования по сравнению с картоном КО. Для всех видов картона отмечен факт увеличения неоднородности просвета при повышении массы 1 м2, что связано с ухудшением условий формования на сетке КДМ. По степени влияния на характеристики просвета факторы можно расположить в ряд: вид картона (композиция по волокну), марка картона, масса 1 м2. При этом внутри каждого вида картона имеет место определенный разброс характеристик [25].

Количественная оценка связи качества формования и физико-механических характеристик образцов бумаги показала, что при рассмотрении парных зависимостей, на любые физико-механические свойства бумаги оказывает влияние одновременно несколько характеристик структуры. Для множественного корреляционного анализа (таблица 2) были выбраны: от первой группы - неравномерность распределения масс IV - Хь от второй группы - неоднородность просвета ст - х2; для учета влияния массы 1 м2 - светопропускание Т - дг3; от третьей группы - средний размер неодно-родностей с4Ред ~х4- Жирным шрифтом выделены значимые коэффициенты.

Таблица 2 - Коэффициенты множественной корреляции для каландрированной бумаги

Р L R N El Ex s, Ap Ер J\c m

ГУ,12 0,344 0,391 0,373 0,468 0,305 0,300 0,565 0,431 0,512 0,380 0,553 0,550

гуЛЪ 0,596 0,766 0,680 0,402 0,934 0,782 0,735 0,562 0,579 0,739 0,536 0,877

гуМ 0,505 0,420 0,463 0,512 0,677 0,607 0,676 0,233 0,293 0,429 0,651 0,720

гуЛ1 0,583 0,751 0,667 0,311 0,929 0,778 0,753 0,531 0,527 0,725 0,560 0,895

Гу, 24 0,495 0,401 0,470 0,376 0,674 0,610 0,708 0,162 0,155 0,411 0,649 0,769

rг.34 0,553 0,707 0,663 0,471 0,920 0,783 0,603 0,538 0,531 0,677 0,229 0,836

гуЛП 0,597 0,770 0,696 0,480 0,936 0,783 0,753 0,606 0,643 0,742 0,560 0,901

rv,l24 0,511 0,473 0,521 0,664 0,679 0,617 0,708 0,431 0,521 0,472 0,659 0,777

'">■,234 0,597 0,761 0,669 0,652 0,931 0,791 0,769 0,588 0,620 0,731 0,671 0,910

Л-.134 0,605 0,783 0,680 0,763 0,937 0,792 0,754 0,641 0,702 0,750 0,666 0,892

'"v,1234 0,605 0,789 0,696 0,827 0,940 0,793 0,769 0,689 0,769 0,755 0,678 0,913

Большая величина множественных коэффициентов корреляции (/=0,60...0,94) свидетельствует о высокой прогнозирующей способности характеристик оптической неоднородности, если рассматривать эти свойства в совокупности.

В отличие от данных, полученных для бумаги, парный корреляционный анализ характеристик каждого вида картона показал низкую тесноту связи. Следовательно, изменения величин жесткости картона при изменении неоднородности структуры картона данной марки меньше, чем при изменении композиции или массы 1 м2. Коэффициенты множественной корреляции имеют несколько более высокие значения, однако они существенно ниже, чем в случае бумаги [25].

Для проведения регрессионного анализа использовали линейные уравнения для тех же входных параметров: хх - IV, х2 - а, х3 - Г, х» - с/сред. Для писче-печатной бумаги для большинства деформационных и прочностных характеристик получены уравнения регрессии с хорошими статистическими показателями и, следовательно, с высокой прогнозирующей способностью. Низкая величина погрешности полученных уравнений регрессии (5=1,3...7,8 %) позволяет использовать их для прогнозирования физико-механических свойств бумаги. Наиболее надежные уравнения регрессии получены для характеристик: жесткость при растяжении 5,(г=0,98; 5=1,4 %) и разрывная длина Ь (г= 0,94; 5=4,0 %).

В случае картона полученные уравнения регрессии имеют менее хорошие статистические характеристики, однако невысокая величина погрешности аппроксимации (от 2 до 9 %) позволяет говорить о прогнозирующей способности характеристик оптической неоднородности для оценки жесткости картона-лайнера при растяжении, сжатии и изгибе.

Эксперимент по исследованию влияния технологических факторов на структуру бумажного листа лабораторного изготовления проведен на лабораторных бумажных отливках с различной композицией. Исследовали влияние массы 1 м2; степени помола, содержания наполнителя (мела), проклейки в массе (катионный крахмал Рай-

сомил 142) и гидрофобизирующей проклейки (АКД Нускогеэ 350М), использование системы удержания Реппоро] К460(Ж и РепповП 40. В результате получены уравнения регрессии, связывающие характеристики неоднородности структуры с композицией бумаги.

В условиях ОАО «МБП Сыктывкарский ЛПК» проведены исследования влияния удельной нагрузки на рафинёры лиственного и хвойного потока БДМ на качество формования и свойства офсетной и офисной бумаги [29]. На рисунке 9 представлено относительное изменение неоднородности просвета материала на различных стадиях производства. За 100 % приняты значения для поступающей на размол целлюлозы. Установлено, что увеличение удельной нагрузки на рафинерах как лиственного, так и хвойного потоков приводит к улучшению качества формования бумаги и повышению физико-механических характеристик офсетной и офисной бумаги.

До размола После размола

Точка отбора

До размола После размола

Точка отбора

Рисунок 9 - Зависимость неравномерности просвета а от удельной нагрузки на рафинеры, кВт-ч/т, лиственной (а) и хвойной (б) целлюлозы в технологическом потоке

Для прогнозирования деформационных и прочностных характеристик бумаги по её композиции использованы уравнения регрессии между характеристиками, оценивающими качество формования бумаги и физико-механическими характеристиками бумаги машинного изготовления; а также уравнения, связывающие композицию бумаги с характеристиками просвета лабораторных отливок, и коэффициенты пересчёта от лабораторных отливок к бумаге машинного изготовления.

Используя полученные модели, проведен анализ влияния композиции материала на качество формования и физико-механические характеристики бумаги. Установлено, что каждая из составляющих композиции бумаги оказывает избирательное влияние, но при этом сохраняется общая тенденция - при увеличении неоднородности просвета ухудшаются прочностные и деформационные характеристики бумаги.

При оценке качества формования оптическим методом на анализаторе просвета АНФОР-02-2 принимаются во внимание сумма всех неоднородностей, как большого, так и малого размера, и дается статистическая оценка этих неоднородностей вне зависимости от их размера. В реальности неоднородности имеют различный размер.

При использовании в качестве характеристики неоднородности просвета сред-неквадратического отклонения яркости светопропускания а, как это рекомендуется ОСТ 13-299-87, величина будет обусловлена, главным образом, микронеоднородно-стями, а вклад крупных становится незаметным. Поэтому корреляция между характеристиками неоднородности просвета и характеристиками деформативности и прочности для бумаги достаточно высокая, а у картона низкая. Для материала с низкой массой 1 м" высокочастотные вариации имеют значительное влияние, а для материала с

высокой массой 1 м2 более заметный вклад вносят низкочастотные колебания, вычленить которые этим методом невозможно.

Современные приборы позволяют дать количественную оценку качества формования бумаги с учетом неоднородностей различных размеров. Анализатор формования PTA-Line Formation Tester обрабатывает цифровое изображение участка бумаги, размером 12x12 см в поляризованном проходящем свете и с применением частотного Фурье-анализа, дает характеристики: индекс формования характеризующий сумму интенсивности колебаний неоднородности яркости пикселей; ЬхшЬу- средний размер флокул в направлении осей ОХ и ОУ, мм; 0 - средний угол ориентации фло-кул; вклад неоднородностей размерами 1, 2, 3, 6, 10 и 16 мм. Результаты для печатных и упаковочных видов бумаги и картона, различающиеся по композиции, массе 1 м2, числу слоев и технологии формования представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Характеристики неоднородности формования

Харак-тристика Офисная Офсетная Газетная Топ-лайнер Тест-лайнер Крафт-лайнер

Физические свойства

5, мкм 103±0,9 83±0,7 70±0,7 165±2,7 207±2,5 216±1,9

т 1 м2, г 77,3±0,5 60,0±0,4 43,7±0,4 127,6±1,9 126,4±2,1 141±1,5

р, г/см3 0,753±0,007 0,717±0,006 0,619±0,006 0,774±0,015 0,610±0,008 0,651±0,007

TS/md/CD 2,61±0,06 2,38±0,04 3,56±0,06 2,55±0,11 2,42±0,02 2,88±0,07

Характеристики неоднородности формования

и 84,3±2,5 109±5 77±3 244±7 361±12 345±24

Lr 5,18±0,28 4,70±0,19 4,84±0,25 4,92±0,21 5,36±0,37 6,30±0,41

Ly 5,00±0,26 4,79±0,19 5,45±0,3 5,47±0,24 5,16±0,22 5,76±0,33

0 22,7±40,7 -18,1±48,7 27,2±73,0 13,9±80,8 23,8±30,6 8,7±26,3

1 мм 28,4±3,6 37,4±4,7 29,6±3,1 70,7±13,8 108,2±13,6 88,4±16,4

2 мм 21,3±1,9 23,9±2.6 19,5±1,7 37,5±5,8 63,6±6,9 46,3±8,5

3 мм 20,0±1,6 32,0±3,9 18,1±1,4 74,2±12,2 95,6±12,5 84,9±16,5

6 мм 4,3±2,3 4,7±3,2 2,Oil,9 20,2±11,5 36,2±27,2 49,6±27,5

10 мм 6,0±4,1 5,7±4,6 3,8±2,6 26,2±16,9 35,8±20,1 45,2±32,2

16 мм 4,3±3,9 5,2±3,9 4,6±3,5 15,7±9,0 21,9±15,7 31,4±25,6

Данные образцы, различающиеся по содержанию в композиции беленой и небеленой целлюлозы, древесной массы и макулатуры, обладают различным уровнем неоднородности структуры. Визуально более неравномерный просвет образцов подтверждается разницей в величине индекса формования /ф. Для бумаги величина /ф составляет 80... 110, а для картона-250...360.

Вместе с тем, средний размер неоднородностей Lcp бумаги и картона варьируется крайне незначительно: от 4,7...5,2 мм у бумаги до 4,9...6,0 мм у картона, и можно в этом случае говорить об отличии только крафт-лайнера (£ср = 6,0 мм), что обусловлено композицией, состоящей, главным образом, из длинноволокнистой хвойной ЦВВ, волокна которой склонны к хлопьеобразованию при отливе. Решающий вклад в общую неоднородность как бумаги, так и картона вносят неоднородности малых размеров (до 3 мм).

Исследование влияния степени помола и содержания хвойной целлюлозы на характеристики неоднородности структуры, измеренные на PTA-Line Formation Tester, проведено на лабораторных отливках 75 г/м2 из беленой сульфатной целлюлозы [40], рисунок 10.

а б

Рисунок 10 - Зависимость индекса формования (а) и среднего размера флокул (б) от степени помола и содержания хвойной целлюлозы:

Обнаружено, что увеличение величины индекса формования наблюдается как при увеличении доли хвойной целлюлозы за счет укрупнения размеров флокул, так и при увеличении степени помола за счет увеличения количества мелких неоднородно-стей, размер которых уменьшается при размоле.

То есть происходящее за счет размола снижение средней длины волокон и увеличение гибкости волокон не приводит к снижению величин характеристик оптической неоднородности, полученных по результатам частотного анализа. В тоже время, средний размер флокул закономерно снижается.

Количественная оценка структурно-орнентационного состояния волокон в бумажном листе

Количественная оценка геометрии отдельных волокон была проведена на лабораторных отливках из беленой хвойной и лиственной сульфатной целлюлозы со степенью помола от 13 до 60 °ШР, содержащих окрашенные волокна в количестве 0,1 % по массе волокна. С применением программы [53] для каждого окрашенного волокна определены характеристики: длина волокна /, мм, фактор формы /, отражающий степень искривлённости волокна, угол ориентации к определяющему направлению а, и траектория его расположения в плоскости листа по координатам (х, у) узловых точек линии волокна.

Установлено, что траектория расположения волокон в бумажном листе аппроксимируется кривой 3-го порядка и может быть описана кривой Безье [19].

Для полного описания структурно-ориентационного состояния была получена информация о виде и параметрах распределения характеристик волокон. Проверка статистической гипотезы о принадлежности выборки данных к тому или иному распределению по критерию х2 (Пирсона) показала, что экспериментальные данные для длины волокна не противоречат гипотезе о принадлежности выборки к логнормаль-ному распределению с параметрами р - математическое ожидание и ах - среднее квадратическое отклонение, а кривизны волокна (Кг = 1 -_/) к экспоненциальному с параметром X [37].

Характеристика геометрических параметров волокон целлюлозных полуфабрикатов в бумажной массе с использованием вероятностных методов

Современные анализаторы волокна позволяют в автоматическом режиме провести измерения характеристик отдельных волокон в суспензии. Результаты представляются в виде среднего значения, гистограммы распределения характеристик и несколь-

ких величин размеров волокон, учитывающих взвешенную, объёмную гаи массовую долю. Однако, практическое использование гистограммы распределения, как характеристики образца, затруднено, поскольку она представляет собой массив данных. Знание параметров распределения длины, ширины и формы отдельных волокон позволяет перейти от массивов данных к всего нескольким характеристикам - параметрам распределения для каждого свойства.

Таблица 4 - Характеристики волокна, полученные на Ь&\У Р1ЬегТе51ег

Вид сульфатной Средняя длина волокна, мм Средняя Средний

целлюлозы арифмети- взвешенная взвешенная ширина, фактор

ческая по длине по массе мкм формы, %

Лиственная небеленая 0,823 0,973 1,096 21,2 91,9

Лиственная беленая 0,773 0,926 1,058 20,4 91,8

Хвойная небеленая 1,729 2,579 3,094 28,2 88,7

Хвойная беленая 1,143 1,874 2,538 22,7 88,8

Исходными данными для определения параметров распределения приняты результаты измерений на РЛегТеэ1ег, таблица 4, программное обеспечение которого позволяет выполнить экспорт исходных данных длины /, мм, ширины, ю, мкм, и фактора формы / % каждого волокна. Полученная выборка из характеристик до 20 тысяч волокон обработана нами с использованием разработанного программного обеспечения [55].

При выполнении расчетов были вычислены параметры распределения для длины, ширины, и кривизны волокна, таблица 5, исходя из гипотезы, что распределение для длины и ширины волокна логнормальное, а кривизны - экспоненциальное. Изменение средней длины и ширины волокна и фактора формы/(таблица 4) в зависимости от вида целлюлозы, соответствует изменению параметров ц и X (таблица 5). Более высокая полидисперсность волокон хвойной целлюлозы приводит к большим значениям параметра распределения ах, характеризующего разброс значений.

Таблица 5 - Параметры распределения для длины, ширины и кривизны волокна

Вид сульфатной Длина Ширина Кривизна

целлюлозы Логарифмически нормальное Экспоненциальное

Д Ох И ох

Лиственная небеленая -0,294 0,482 3,035 0,201 12,33

Лиственная беленая -0,362 0,484 2,987 0,234 11,18

Хвойная небеленая 0,262 0,822 3,301 0,277 8,85

Хвойная беленая -0,130 0,774 3,084 0,'777 8,96

Дополнительная математическая обработка данных раскрывает возможности по анализу взаимосвязи характеристик отдельных волокон, рисунок 11. Результаты для всей выборки волокон сульфатной лиственной беленой целлюлозы (рисунок 11, а) не позволяют утверждать о существовании четко выраженной связи между длиной (/, мм) и шириной (и;, мкм) волокон. Результаты для средних значений в классах длины (рисунок 11,6) наоборот, свидетельствуют о четкой зависимости между длиной, шириной и формой (/, %) волокон - более длинные волокна в среднем являются более широкими и менее прямыми. В тоже время, если рассматривать волокна в отдельном классе длины (рисунок 11, в), то такая связь отсутствует вообще. Поэтому для описания стохастической волокнистой массы требуется использование вероятностно-статистических методов [48].

Н1ЛВ 2 - Все волокна

В результате эксперимента доказана необходимость математического описания геометрии волокон полидисперсного целлюлозного полуфабриката с использованием вероятностно-статистических методов. Рассчитаны параметры логарифмически нормального распределения для длины и ширины волокон и экспоненциального для кривизны волокон.

Подготовленная математическая база для количественного описания состояния волокон в бумажной массе даёт возможность в дальнейшем разработать компьютерную модель бумажного листа с учётом полидисперсности волокон по длине, ширине и кривизне волокон [18].

Одним из этапов является моделирование отдельных волокон, трехмерная модель которых строится на основании информации о траектории волокна, описываемой кривой линией, и информации о поперечном сечении волокна, имеющего форму эллипса с различной величиной сплющенности.

Для проведения моделирования разработана программа для ЭВМ [56], алгоритм включает в себя 3 этапа: 1) расчет траектории волокна в плоскости; 2) расчет поперечного сечения волокна; 3) трехмерное представление образа волокна. Исходными данными для моделирования траектории расположения волокна в плоскости листа являются: длина волокна, I, мм; фактор формы / (кривизна); угол к определяющему направлению а; координаты (хс,ус) центра волокна. Координаты базовых точек кривой Безье (*,-,>>,• , где 1=0.3) подбираются по разработанному алгоритму, чтобы длина и кривизна кривой соответствовали заданию. При моделирования поперечного сечения (профиля) волокна с шириной Ь, мкм, толщиной стенки волокна 5, мкм и степенью сплюснутости %, в качестве геометрической основы принят многоугольник в форме эллипса с числом ребер и от 4 до 36, рисунок 12.

(мм 0.90

Рисунок 11 - Зависимости между длиной / и шириной V/ волокон: а - для всех волокон; б -по средним значениям в классах длины; е-для волокон с длиной 0,75... 1,0 мм

/=0,85; /=0,85; /^0,99;

а=0° а=45° а=45°

Рисунок 12 - Результаты моделирования траектории и профиля волокон по программе [56]

6=50; 5=5; <=0; п=12

6=50; 5=5; <=100; и=12

При построении трёхмерного образа волокна в виде многогранника, выполняется расчет координат его вершин в трехмерном пространстве. Результаты моделирования хвойных волокон с длиной 1=2,9 мм, шириной ¿=50 мкм и с различным фактором формы / и углом ориентации а к оси X при использовании проекций различного типа представлены на рисунке 13.

косоугольная,_/=0,99; а=45° изометрия,/=0,95; а=0° диметрия,_/Ю,50; а=45°

Рисунок 13 - Результаты трехмерного моделирования целлюлозных волокон

Форма моделей соответствует изображениям волокон, получаемых при визуальном анализе формы окрашенных волокон в листе и данным электронной микроскопии. Это подтверждает корректность подхода при использовании кривых Безье, а установленные ранее параметры стохастической структуры с использованием законов распределения открывают путь к моделированию трехмерной структуры бумаги [35].

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДИК

Анализ кинетики деформирования целлюлозно-бумажных материалов при растяжении

Кривая «напряжение-деформация» («а-е») может рассматриваться как индикатор состояния структуры целлюлозно-бумажного материала, поскольку любые изменения структуры приводят к изменению хода кривой «а-8» и, как следствие, величин деформационных характеристик.

Для определения интервалов изменения хода кривой «с-е» и величин вычисляемых характеристик были испытаны образцы печатных и упаковочных видов бумаги и картона, различающиеся по композиции, массе 1 м2, числу слоев и технологии формования. Они отличаются по плотности (0,61...0,77 г/см3), величине индекса формования (77. ..361), анизотропии жесткости Т51МЖо (2,38. ..3,56).

Типичные кривые зависимости «ст-е», полученные при испытании на растяжение образцов, вырезанных в трех направлениях - машинном (МО), поперечном машинному (СБ) и под углом 45° к МБ, на примере газетной бумаги и картона топ-лайнер, представлены на рисунке 14. Данные четко показывают анизотропию свойств бумаги, уменьшение жесткости в упругой области деформирования, величины предела упругости и увеличение общей деформации до разрушения при увеличении угла вырезки образцов от МБ.

Отличия обусловлены преимущественной ориентацией волокон в структуре листа бумаги и картона. Полученные зависимости отличаются величинами напряжений и деформаций, а также расположением кривой для образцов 45°, по отношению к образцам МБ и СБ, что связано со степенью анизотропии образцов, прочностью и длиной волокон, составляющих композицию бумаги, а также технологией формования.

о.МПа

80

70

60

50

40

30

20

10

0 /-

1 алстппя бумага

-МО

- - - СО

- - 45

N11)

45°

СП

О

1

М1> Тип-лаПнер

-МО

- СО

- - 45

.-45°

СП

2 3 4 5 г., %

а б

Рисунок 14 - Зависимости «напряжение-деформация» целлюлозно-бумажных материалов: а - газетная бумага; б - картон топ-лайнер

Кинетика изменений в процессе деформирования текущего модуля упругости (Ех=с1а/с1е) выражающего скорость роста напряжения в образце, а также работы деформирования (Ах), выражающей накопленную в образце энергию при его растяжении, представлены на рисунке 15.

При испытаниях образцов МО механическое поведение определяется, главным образом, поведением собственно волокон. Механизм процессов, приводящих к разрушению образцов МО, в большей степени обусловлен деформированием внутримолекулярных связей в целлюлозных волокнах, что приводит к вязко-упругому характеру деформирования. Для образцов СО определяющее влияние имеют межмолекулярные и межволоконные водородные связи, и механизм деформирования при этом можно определить как упруго-вязко-пластический. У образцов, вырезанных под углом 45° к МО, в наибольшей степени играют роль сдвиговые деформации, а траектория линии разрыва образцов направлена под углом 45° к продольной оси образца. Механизм деформирования в данном случае можно определить как смешанный упруго-вязко-пластический с учетов сдвиговых эффектов. Соответственно, кинетические закономерности изменения жесткости образцов в процессе растяжения имеют свои особенности в зависимости от преимущественной ориентации волокна в образце.

Для образцов в МО, рисунок 15,д, скорость изменения упругости материала выше для бумаги (кривые 2,5), чем для картона (кривые 1,3,4). То есть здесь играет роль фактор толщины листа, и, соответственно, объема.

Для образцов в СО, рисунок 15, в, скорость изменения упругости материала существенно выше только для газетной бумаги (кривая 5). Причина этого - повышенная анизотропия (Т51МВ/сп=3,56) и лигнин в механической массе, препятствующий прочному связеобразованию в условиях пониженной плотности материала, что приводит к деформированию и разрыву межволоконных связей при растяжении.

Для образцов, вырезанных под углом 45° к МО, кривые для бумаг (газетной и офсетной) имеют несколько более крутой наклон, то есть данные материалы демонстрируют повышенную скорость потери жесткости связей, однако в меньшей степени, чем для образцов СО. Это связано с особенностями развития сдвиговых деформаций в образцах с меньшей толщиной.

Кривые кинетики развития работы деформирования (Лх), рисунок 15Дг,е, четко разделяются на картон и бумагу, и располагаются в ряд: топ-лайнер - крафт-

лайнер - тест-лайнер - офсетная бумага - газетная бумага. Скорость роста данных кривых соотносится с ходом кривых «нагрузка-удлинение», которые в существенной степени определяются массой 1 м2 материала.

А„ мДж

Е„ МПа 6000

Машинное направленно

ксишйнер - • - крафнаЛнср

Машинное направление

■ офсетная

■■ ксиийнср .*'

- КрлфиЫЙПСр У

Поперечное направление

юплайнер

----тессвЛнср

■ • - крафииЛнср

Поперечное манранленне

----ксгийнер

- ■ - цифгиПнср

г

45- к МВ

юплаШкр

• кспийжр - »^ифшаЛнер

д е

Рисунок 15 - Кинетика изменения в процессе деформирования модуля упругости Ех (а,в,д) и работы деформирования Ах (б,г,е); а,б - МБ, в,г - СО; д,е - 45° к МО; 1 - топ-лайнер; 2 -офсетная бумага; 3 - крафт-лайнер; 4 - тест-лайнер; 5 - газетная бумага

Анализ кривых «а-е» позволяет также количественно оценить деформационные свойства, изменение которых при переходе от МО к СО связано с изменением соотношения вклада внутриволоконных и межволоконных связей и величиной анизотропии, зависящей от длины волокна и условиями формования. Исследованные материалы по величинам деформационных характеристик располагаются по убыванию в ряд: топ-лайнер — офсетная бумага - крафт-лайнер — тест-лайнер - газетная бумага. Это соответствует изменениям в композиции по волокну: (небеленая + беленая сульфатная) - беленая сульфатная - ЦВВ - вторичное волокно на основе ЦВВ, полуцел-

люлозы и сульфатной небеленой целлюлозы - механическая масса. Наибольший вклад в работу деформирования при растяжении материалов вносит замедленно-упругая зона, при этом вклад упругой составляющей не превышает 5 %.

Влияние технологических факторов на деформационные свойства волокнистой структуры целлюлозного материала при растяжении

Для исследования влияния факторов сульфатной варки был проведен лабораторный планированный эксперимент с использованием ротатабельного композиционного униформ-плана второго порядка. В качестве факторов приняты: х\ - температура варки (160...180 °С); хг — продолжительность стоянки на конечной температуре (20...60 мин); хъ - расход активной щелочи на варку в % от массы абсолютно-сухой щепы, 14...22 %; и х4 - толщина щепы (мм) ручного приготовления из древесины сосны (2...8 мм). Проведена 31 варка, получены образцы целлюлозы с выходом от 43,4 до 64,7 %, и числом Каппа от 26,9 до 85,8. Испытывали отливки целлюлозы 120 г/м2 со степенью помола 18 °ШР. Используя полученные адекватные модели, были рассчитаны значения параметров варки, обеспечивающие получение целлюлозы с максимальными характеристиками, таблица 6. Разные величины этих параметров говорят о неэффективности общей оптимизации [7,9,11].

Выходные параметры были разделены на группы: фундаментальные свойства (Есв и р); характеристики прочности (стр и П); характеристики жесткости (ИСТ и ЕГ); характеристики упругости (Е\ и О0). Для каждой группы свойств определены оптимальные условия и предложено 4 режима варки.

Характеристика Размер Центр Достигаются максимальные

ность плана Плотность Прочность Жесткость Упругость

Условия проведения варок

Номер режима 0 1 2 3 4

Температура (хО °С 170 175 175 180 170

Стоянка (Х2) мин 40 45 35 60 55

Расход а.щ. (*з) % 18 22 14 15 22

Толщина щепы (х») мм 5,0 2,0 2,0 3,0 6,5

Характеристики целлюлоз, рассчитанные по уравнениям регрессии

Плотность (р) г/см3 0,781 0,826 0,808 0,762 0,807

% 100 105,8 103,5 97,6 103,3

Разрушающее МПа 67,9 69,3 79,0 68,6 71,3

напряжение (о„) % 100 102,0 116,3 100,9 105,0

Сопротивление кПа 435 490 545 430 450

продавливангао (П) % 100 112,9 125,5 99,4 103,8

Сопротивление Н 180 230 280 335 225

сжатию кольца ИСТ % 100 128,7 154,5 184,9 124,0

Жесткость при мНсм*1 380 395 370 475 415

изгибе (£7) 100 103,7 96,8 124,5 109,5

Модуль МПа 8220 8670 8440 7810 9250

упругости (£■]) % 100 105,5 102,7 95,0 112,5

Модуль МПа 495 530 485 445 510

сдвига (С0) % 100 107,1 98,0 89,9 103,0

Выход целлюлозы % 50,9 53,4 64,5 59,3 52,9

По уравнениям регрессии рассчитаны значения физико-механических характеристик. Оптимальные условия получения целлюлозы с повышенными характеристиками деформативности 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 6,0...6,5 мм, а для повышения характеристик прочности - более тонкая, толщиной не более 2,5 мм.

Влияние фундаментальных свойств волокна на деформационное поведение хвойной сульфатной небеленой целлюлозы

Для оценки бумагообразующего потенциала растительных волокон часто применяются характеристики, названные Дж.Кларком фундаментальными: средняя длина волокна (/ср), когезионная способность или межволоконные силы связи (//со), способность к уплотнению во влажном состоянии, или пухлость (V), собственная прочность волокна (¿о) и грубость волокна (Г) [1]. Одновременно признается, что на свойства технической целлюлозы оказывают влияние одновременно несколько фундаментальных характеристик. В этом плане затруднено выявление чистого влияния каждого из отдельных фундаментальных свойств, поскольку они не являются совершенно независимыми друг от друга.

Был выполнен лабораторный эксперимент с целью избирательного и направленного изменения отдельных фундаментальных свойств волокна хвойной сульфатной небеленой целлюлозы за счет применения воздействий, в большинстве случае не применяемых в производственных процессах. Изучены свойства лабораторных отливок 75 г/м2 при степени помола 17 и 30°ШР.

Для получения образцов целлюлозы, в которых изменялась только средняя длина волокна, отливки во влажном состоянии нарезали на полоски шириной 6, 4 и 2 мм, распускали их в мешалке и из полученной массы изготавливали лабораторные отливки 75 г/м2. Результаты представлены на рисунке 16, а,б. Длина волокна практически не влияет на характеристики зоны упругости, но имеет определяющее влияние на деформационные характеристики в зоне предразрушения; умеренное сокращение длины волокна не приводит к существенному ухудшению физико-механических свойств хвойной целлюлозы; существует критическое значение длины волокна, 1,2 мм, ниже которого наблюдается резкое снижение уровня деформационных и прочностных характеристик.

Для получения образцов с ослабленными силами связи, влажную отливку выдерживали в кювете с 96 %-м и 50 %-м этиловым спиртом. Для усиления сил связи использовали 2 и 5 % добавку крахмального клея. Результаты представлены на рисунке 16, в,г. Большинство прочностных и деформационных свойств очень чувствительны к изменению межволоконных сил связи, снижение приводит к потере прочности до 60-90 %, а повышение - к росту прочности на 30-60 %, при этом регулирование сил связи приводит к принципиальным различиям в характере деформирования и ходе кривых «ст-с». Различия в деформационном поведении образцов с разной величиной Рсв проявляются уже в упругой области, и остаются существенными в замедленно-упругой области и области предразрушения.

Образцы с различной объемной массой получали за счет изменения интенсивности прессования влажной отливки на сетке листоотливного аппарата, результаты представлены на рисунке 16, д,е. Регулирование объемной массы отливок не приводит к принципиальным различиям в характере деформирования и ходе кривых «ст-е»;

различия в деформационном поведении образцов проявляются только в области предразрушения; большинство прочностных и деформационных свойств мало чувствительны к изменению объемной массы в исследованном диапазоне, изменение величин характеристик в большинстве случаев не превышает 10 %.

ЗО'ШР

о, МПа

%

2

125

-1.48 100

-12Ь

-1.21 75

-1.17

50

25

%

125

-1.23 100

-1.95

—2.03

-2.42 75

-2.64

50

25

30-ШР

30°ШР

-о-Ч>

-о-1

1.5 /сра, ММ

Ре„, МПа

30°ШР

30°ШР

—О—1Ср -й-1-0 -—Е,

%

125

-9600 100

-9050

-7300 75

-4900

50

25

0,800 0,805

0.815

е

30°ШР

0.820 0.825 Р. Г'СМ3

5 000 6 000 7 000 8 000 9 000 10, М

Ж 3

Рисунок 16 - Влияние фундаментальных свойств на деформационные свойства сульфатной хвойной целлюлозы при направленном изменении; а,б - средней длины волокна; в,г -межволоконных сил связи; д,е - объемной массы; ж,з - нулевой разрывной длины

-О-Р -О-Яса -0-1. -»-Е1 -*-£р

Изменение прочности волокон достигалось их обработкой в течение разного времени 1 н. HCl при температуре 60 °С. Результаты представлены на рисунке 16, ж,з. Принудительное понижение прочности волокна, оцениваемое по нулевой разрывной длине, на 10...50 % за счет кислой обработки с последующим размолом привело к снижению величин всех прочностных и деформационных характеристик на 20...90 %; при этом не наблюдается различий в поведении образцов в упругой области, но влияние прочности волокна отчетливо проявляется в замедленно-упругой области и области предразрушения, и имеет место снижение предела упругости и уменьшение размера области предразрушения.

Направленное изменение величины отдельных фундаментальных характеристик хвойной целлюлозы приводят к одновременному изменению и других свойств, что подтверждает взаимозависимость фундаментальных свойств, при этом прочность волокна можно считать базовой характеристикой, принудительное изменение которой в обязательном порядке влечет за собой изменение остальных фундаментальных свойств. Наибольшее влияние на деформационные свойства оказывает регулирование межволоконных сил связи, при этом изменения наблюдаются как в упругой области деформирования, так и в области предразрушения.

Влияние массы 1 м2 на деформационные свойства изучено на образцах двухслойного картона для плоских слоев гофрированного картона с беленым покровным слоем топ-лайнер, композиция которого включает хвойную и лиственную беленую и небеленую сульфатную целлюлозу, рисунок 17.

Установлено отличие во влиянии массы 1 м2 в направлениях MD и CD на деформационное поведение образцов топ-лайнера. Снижение плотности материала с большей массой вследствие изменившихся условий формования приводит к некоторому перераспределению вклада волокон и межволоконных связей в развитие напряжений и деформаций в образцах при растяжении.

Для характеристик, не зависящих напрямую от массы 1 м2 картона с увеличением массы увеличивается жесткость при растяжении S,, на 15 % (MD) и 44 % (CD), но снижается начальный модуль упругости Е\ на 35 (MD) и 15 % (CD); снижается предел упругости ai на 20 и 23 %; изменение деформации в точке пластичности еп зависит от направления: в MD растет на 22 %, в CD — снижается на 13 %.

Отношение Е\/Е2 (кривая 14), характеризующее относительное изменение жесткости материала при переходе от упругой области к области предразрушения, изменяется симбатно с долей замедленно-упругой деформации доля е^, (кривая 15). Е\!Е2 максимально для CD (кривая «a-s» максимально изогнута) и минимально для MD (кривая «a-e» изогнута минимально). Следовательно, при частичном разрушении межволоконных связей в образце картона в направлении CD при нагрузке, превышающей предел упругости, происходит резкое падение жесткости, малое число волокон, воспринимающих нагрузку, не способствует сохранению жесткости, и деформации переходят от обратимых к необратимым, характерным для зоны предразрушения.

Потеря жесткости материала при развитии деформаций в образцах при увеличении массы возрастает, приводя к увеличению степени изогнутости кривой «a-s», вследствие перераспределения вклада упругой, замедленной упругой и пластической составляющих общей деформации в основном за счет замедленно-упругой составляющей.

CD

-E, МПа -О-о, МПа -- Аэ «Д. — Е,. иПа - о,. МГЪ Ад. МД*

Масса 1 м2, г

6

MD

CD

— — а/с*.% -0-Е 1^2* с__%

••♦■Anfl^

140 150

Масса 1 мг, г

Рисунок 17 - Деформационные свойства картона топ-лайнер с различной массой 1 м : - зависимости «сг-е»; б - упругие характеристики; г - относительные характеристики раметров деформирования; за 100 % приняты величины для картона 150 г/м2

а,в па-

Формирование деформационных характеристик целлюлозно-бумажных материалов в технологическом потоке представлено на примере производства тарного картона топ-лайнер, массой 140 г/м2.

Были испытаны образцы полуфабрикатов и бумажной массы, позволяющие оценить влияние процессов размола, составления композиции по волокну (БПУ), введения химикатов и разбавления оборотной водой (напорный ящик), ориентации волокна, сушки на цилиндрах и поверхностной проклейки (готовая продукция):

- исходные полуфабрикаты: небелёная хвойная (обозначение ИХНТ), небеленая лиственная (ИЛНТ), белёная хвойная (ИХБТ), белёная лиственная (ИЛБТ) целлюлозы, отливки 140 г/м2;

- эти же полуфабрикаты после первой ступени размола - РХНТ (21 °ШР), РЛНТ (21 °ШР), РХБТ (22 °ШР), РЛБТ (22 °ШР); отливки 140 г/м2;

- отливки массы из БПУ после второй ступени размола и составления композиции по волокну основного слоя (БПУ-Т-О) 90 г/м2 (24 °ШР) и покровного слоя (БПУ-Т-П) 50 г/м2 (26 °ШР), а также двухслойные отливки (БПУ-Т-2) 140 г/м2;

- отливки массы из напорных ящиков основного слоя (НЯ-Т-О) 90 г/м2, покровного слоя (НЯ-Т-П) 50 г/м2, и двухслойные (НЯ-Т-2) 140 г/м2;

- готовая продукция - картон топ-лайнер 140 г/м2, машинное МО (ТЛ-МО) и поперечное машинному СО (ТЛ-СО) направления.

Результаты представлены на рисунке 18. Недостаточный уровень бумагообра-зующих, прочностных и деформационных свойств исходных необработанных полуфабрикатов, особенно лиственной небеленой целлюлозы (рисунок 18, а, кривая 2) по-

вышается до необходимого уровня под воздействием технологических операций в

РПО при размоле и составлении композиции.

%

Двуслойный картон

Точка отбора

Точка отбора

г

о i г з < б Точка отбора

д е

Рисунок 18 - Сравнительная характеристика деформационных свойств образцов на различных стадиях производства картона; за 100 % приняты величины для двуслойных отливок массы из напорных ящиков: а,в,д - зависимости «а-Е»; б - упругие характеристики; г - характеристики зоны разрушения; е - относительные характеристики параметров деформирования

В готовом картоне уровень характеристик определяет, главным образом, анизотропия ориентации волокна, а также свой вклад вносят процессы контактной сушки на цилиндрах, приводящие к повышению жесткости как отдельных волокон, так и структуры картона в целом.

Установлено, что прочность и жесткость картона топ-лайнер в большей степени определяет основной слой из небелёной целлюлозы, причем прочность придаёт в основном хвойная целлюлоза, а жёсткость - лиственная. Прочность материала при продвижении по потоку возрастает за счет развития бумагообразующих свойств волокна, а жесткость при растяжении, сжатии и особенно изгибу снижается за счет увеличения гибкости волокон, образующих лист картона, и снижения его толщины. В целом, прочность и растяжимость двуслойного картона топ-лайнер в большей степени обеспечивается за счет хвойной целлюлозы; жёсткость при сжатии и изгибе картона в большей степени обеспечивает лиственная целлюлоза.

Характер деформирования целлюлозного материала из небеленых и беленых полуфабрикатов, оцениваемый по изменению хода кривой зависимости «о-е», изби-

рательно изменяется для небеленых и беленых материалов под воздействием технологических операций массоподготовки. Вклад упругой составляющей в прочность материала Ст|/стр выше для беленых полуфабрикатов за счет пониженной способности к развитию неупругих деформаций. При этом также наблюдается повышенная потеря жесткости материала в области предразрушения.

Сравнительный анализ влияния факторов на ход кривой зависимости напряжение-деформация

Регистрируемая на разрывной машине кривая «нагрузка-удлинение» («Р-А1»), как характеристика испытуемого образца, и рассчитанная на ее основе зависимость «напряжение-деформация» («ст-е»), как характеристика материала, может рассматриваться как индикатор состояния структуры целлюлозно-бумажного материала в условиях одноосного растяжения, поскольку любые изменения структуры приводят к изменению хода кривой «ст-е» и, как следствие, величин деформационных характеристик. Кроме того, к изменению хода кривой приводят изменение размеров образца (проявление масштабного фактора), направления приложения нагрузки (из-за анизотропии волокнистой структуры), и скорости растяжения (реологические и релаксационные явления, проявляющиеся благодаря вязкоупругой природе материала) [41,44].

На рисунке 19 представлены примеры изменения хода кривых «Р-АЬ при изменении факторов формирования волокнистой структуры. Обобщенный анализ наблюдаемых закономерностей позволяет говорить о разнонаправленности влияния технологических факторов.

Морфология волокна, степень помола, скорость растяжения приводят к однонаправленному изменению жесткости, прочности и растяжимости (рисунок 19,а, б, ё). Воздействие сводится к повышению величины или роли межволоконных и внутриво-локонных связей.

Действие таких факторов, как влажность, направление вырезки и длина образца приводит к разнонаправленному воздействию: снижение жесткости и прочности сопровождается увеличением растяжимости (рисунок 19, в, г, д). Воздействие данных факторов изменяет соотношение вкладов внутриволоконных и межволоконных сил связи в сопротивление одного и того же материала деформированию.

Изменение условий проведения испытаний одного и того же материала даёт специфическое воздействие на группы характеристик. Изменение длины образца (масштабный фактор) в малой степени влияет на измеряемую прочность, при этом диапазон изменения характеристик деформативности достаточно велик. Варьирование скорости испытания мало отражается на характеристиках упругости и жесткости, а деформационные и прочностные характеристики изменяются существенно.

Установленные закономерности изменения характера кривой напряжение-деформация под воздействием различных факторов, позволили сделать предположения о механизмах развития напряжений и деформаций в целлюлозно-бумажных материалах при одноосном растяжении.

В упругой области, ограниченной на кривой точкой 1, рисунок 2, происходит деформирование волокон и межволоконных сил связи. Вследствие того, что внутри волоконные связи более прочные, за поведение материала в зоне упругости отвечают главным образом, межволоконные силы связи, в том числе, за счет того, то одновременно обеспечивается повышенная плотность материала.

беленая — — ХяоЯиля белене«

Э.О &1,к

— »=11,5 X

- »««6,554

-/*100 мм

--Г-10 мм

-СО ' МО

15 Л/,»

д е

Рисунок 19 - Влияние факторов на деформационное поведение целлюлозно-бумажных

материалов при растяжении: а - морфологии волока; б - степени помола; в -относительной влажности образца; г - направления ориентации волокон в образце; д -длины образца; е - скорости растяжения при испытании

На участке 1..2 зависимость имеет криволинейный характер, причём крутизна кривой постоянно снижается, что соответствует снижению величины текущего модуля упругости Ех и жесткости материала. При деформировании структуры в этой области и росте в ней напряжений происходит ослабление межволоконных связей и частичное разрушение наиболее слабых или перенагруженных связей. Это приводит к созданию условий для возникновения подвижности волокнистых фрагментов в виде фибрилл на поверхности или сегментов волокон. При этом при развитии деформаций

и приближению к точке 2, количество элементов, участвующих в этом процессе, увеличивается. Таким образом, жесткость структуры при нагрузках выше предела упругости определяется способностью структуры к сохранению межволоконных связей.

На участке 2...3 зависимость имеет характер, близкий к линейному, крутизна кривой остается постоянной, а поведение материала описывается модулем упругости в области предразрушения Е2. С увеличением напряжения развивается процесс деформирования волокон и дальнейшее значительное разрушение межволоконных связей, что может привести к освобождению и отрыву концов волокон от места их первоначальной фиксации. Для извлечения концов волокон требуется преодоление сил трения. Возникающие пластические деформации развиваются под действием сдвиговых и касательных напряжений. Развитие деформаций в этой области вызвано извлечением фрагментов волокон и концов неразорванных волокон из структур, в которых они были ранее зафиксированы межволоконными связями. Поэтому в данный момент ключевое значение приобретает прочность самих волокон. При этом повышенная растяжимость обеспечивается за счет длины и прочности волокна, а также его гибкости при условии наличия определенного уровня межволоконных связей в структуре материала перед испытанием. В условиях слаборазвитых связей, например, у нераз-молотых образцов, растяжимость зависит главным образом от длины волокон и сил трения при вытаскивании волокон из структуры.

В целом, прочность материала обеспечивается прочностью волокон и сохранением прочности деформированных межволоконных связей за счет развития поверхности волокна при формировании структуры в процессе изготовления материала.

Прогнозирование зависимости напряжение-деформация целлюлозно-бумажных материалов с применением феноменологического подхода

Различными исследователями неоднократно делались попытки расчета величин отдельных характеристик прочности целлюлозного материала по нескольким, фундаментальным, по мнению авторов, параметрам. Часто число этих параметров было большим, а в отдельных случаях сложным для определения. При этом считалось, что величина средней ошибки прогнозирования 10 % является приемлемой.

В процессе лабораторных испытаний технической целлюлозы на растяжение определяют комплекс свойств, состоящий из более 30 деформационных и прочностных характеристик. Для прогнозирования такого комплекса характеристик традиционным путем необходимо составить уравнения отдельно для каждой характеристики и затем использовать каждое из них для дальнейших расчетов.

Для сокращения объема вычислений при прогнозировании, в качестве альтернативы, предлагается использовать феноменологическую модель, при анализе которой рассчитываются деформационные и прочностные характеристики материала. При этом количество уравнений регрессии сокращается до числа параметров модели.

Установлено [2,14], что характер деформирования целлюлозно-бумажного материала при применении в качестве модели стандартной упруго-эластической модели хорошо описывается уравнением типичного тела, которое при растяжении образца с постоянной скоростью имеет вид:

СТ(Е) = Е2е + vn • (£, - Е2 )(1.- е-' - ) 5 ( 1}

где Е\ - начальный модуль упругости; Е2 - модуль упругости в области предразрушения; п - время релаксации; v - скорость приложения нагрузки.

Для прогнозирования зависимости «а-е» для хвойной сульфатной небеленой целлюлозы разработана программа для ЭВМ Prognoz [58], в которой расчеты выполняются по уравнению (1). Величины Еь Е2 и п, рассчитываются по уравнениям регрессии по величинам структурно-морфологических характеристик волокна, измеренных на автоматическом анализаторе L&W FiberTester: средняя длина хь средняя ширина х2, средний фактор формы х}, средний угол излома х4, число изломов на волокно х5, длина сегмента доля мелочи хъ а также число Каппа х8 и степень помола х9.

Варьируя величину e¡ от 0 до ер с интервалом As, по уравнению (1) рассчитывается напряжение а„ и, в результате, получаем кривую «а-е». Математиче-. екая обработка этой кривой позволяет получить спектр деформационных и прочностных характеристик. На рисунке 20 представлены примеры экспериментальных и модельных кривых «а-е», на которых прослеживается их соответствие, что свидетельствует о работоспособности разработанной методики. В большинстве случаев погрешность деформационных и прочностных характеристик в программе Prognoz составляет от 0,5 до 10 %.

Такой подход позволяет сократить время получения информации о деформационных свойствах целлюлозного материала до 20 минут, без изготовления отливок и проведения испытаний [47].

5 КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА НЕОДНОРОДНОСТИ ПОЛЕЙ ЛОКАЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ В ОБРАЗЦЕ БУМАГИ ПРИ ОДНООСНОМ РАСТЯЖЕНИИ

При теоретическом описании механического поведения бумаги или картона под воздействием растягивающих нагрузок предполагается наличие однородного поля деформаций во всем образце бумаги. Из-за структурной неоднородности фактически имеют место существенные изменения в величинах местной деформации в листе бумаги под нагрузкой. Связанные межволоконными связями области и свободные от связей сегменты волокон имеют различную жесткость, а флокулы и промоины в образце усиливают эффект неоднородности, что приводит к возникновению концентраций напряжений.

Нами разработана методика количественной оценки локальных деформаций в образце целлюлозно-бумажных материалов при растяжении и расчета полей локальных напряжений, развивающихся в образце при растяжении с применением технологий, использующих метод конечных элементов (МКЭ) [27,30,31,34,43,45].

Образец с нанесенной с помощью струйного принтера сеткой точек, расположенных по углам квадратов с длиной стороны 4 мм, устанавливается в зажимы вертикальной разрывной машины. Перед испытанием и через каждую секунду в процессе растяжения образца до разрушения делаются цифровые снимки. Обработка полученных кадров выполняется с помощью разработанной программы FEM [59]. По первому снимку определяются координаты узлов сетки до и после растяжения образца, и шаг сетки в пикселах. Одновременно в процессе испытания регистрируются кривые

Рисунок 20 - Экспериментальная и рассчитанные по программе Prognoz зависимости «напряжение - деформация»

«а-е», по которым определяется модуль упругости и общая деформация в образце в момент снимка.

Пользуясь величиной разрешения снимка, определяются смещения точек в миллиметрах вдоль продольной оси образца и перпендикулярно продольной оси образца, и рассчитываются продольные, £х и <зх, поперечные е„ и а,, и сдвиговые уи т„ локальные деформации и напряжения.

В эксперименте для образцов офисной бумаги 80 г/м2, вырезанных в поперечном машинному (CD) направлению, выполнены расчёты для трёх точек при растяжении одного образца до 1, 2 и 3 мм. Для количественной оценки обнаруженной неоднородности проведена статистическая обработка величин локальных напряжений и деформаций, рисунок 21. За характеристику неоднородности локальных напряжений и деформаций принято среднее квадратическое отклонение.

а б

Рисунок 21 - Гистограммы распределения продольных локальных деформаций (а) и напряжений (б) офисной бумаги (СО) при общей деформации образца 1 мм; 2 мм и 3 мм

Полученные результаты свидетельствуют о наличии сильно неоднородного поля деформаций и напряжений в образце в плоскости листа, рисунок 22. Более тёмные области диаграмм соответствуют более сильным деформациям.

При наличии сильной неоднородности, средние расчётные значения локальных напряжений в образце имеют очень хорошую сходимость с экспериментальными данными, рисунок 23.

кц-

fcí-

у — -

—

<2-

-¿

10.1б(Ю.20а B0.12CMJ.160 □ 0.0800 120 □ 0.04ОД080 О0.СЮСМ).040

Рисунок 22 - Поля локальных продольных деформаций после растяжения до деформации: а - 1 мм; 6-2 мм; в - 3 мм

Деформация, мм

Рисунок 23 - Расчётные значения напряжений в исследованных точках кривой «а-е» с указанием среднего квадратического отклонения

Неоднородность полей напряжений показана точками, учитывающими среднее квадратическое отклонение вычисленных напряжений. При растяжении образца обнаружены локальные области, в которых величины локальных напряжений превышают среднее разрушающее напряжение для образца. Разрушение образца происходит, когда количество локальных зон с сильными перенапряжениями превышает критический порог.

6 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФАКТОРОВ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОФРИРОВАННОГО КАРТОНА И ГОФРОТАРЫ

Оценка технологических характеристик гофрированного картона различных марок и типов и композиции

В условиях ужесточения требований к качеству, при расчёте показателей прочности гофроящика и для определения оптимальной композиции гофрокартона по технологическим и экономическим параметрам требуется знание деформационных свойств гофрокартона и гофроящика. Жесткость при изгибе картона является одной из важнейших характеристик, необходимых для достижения высоких эксплуатационных качеств гофроящиков. Однако жесткость при изгибе фактически не контролируются как при производстве бумаги, картона, так и при производстве гофрокартона.

Для количественной оценки уровня жёсткости при изгибе гофрированного картона и разработке на его основе норм жесткости при изгибе, на филиале ОАО «Ар-хбум» в г. Подольске проведены испытания трёхслойного и пятислойного гофрированного картона с определением стандартных характеристик качества - толщины 5, массы 1 м2 т, сопротивления продавливанию П, сопротивления торцевому сжатию ЕСТ, а также жесткости при изгибе Sb по четырех точечному методу на приборе L&W 4-point Bending Stiffness Tester. Всего проанализировано 375 образцов трёхслойного и 150 образцов пятислойного гофрокартона с различной композицией плоских и гофрированных слоев. Значения коэффициентов вариации характеристик представлены в таблице 7 [22,26].

Обнаружено, что низкая вариация контролируемых по требованиям стандарта физических свойств (толщины и массы) не гарантирует стабильности прочностных и жесткостных свойств гофрокартона. Факт, что жесткость гофрокартона при изгибе имеет наименьшую стабильность, безусловно, связан с отсутствием норматива на жесткость при изгибе и мероприятий по стабилизации этой характеристики.

Таблица 7 - Вариация характеристик качества гофрокартона

Характеристика Коэффициент вариации v, % для характеристик гофрокартона

трехслойного пятислойного

Толщина 8, мм Масса 1 м2, т, г Сопротивление продавливанию П, кПа Сопротивление торцевому сжатию ЕСТ, кН/м Жесткость при изгибе 5Ь Н'м 0,7...1,4 0,9...4,8 2,1...8,6 2,0... 12,3 2,0...20,1 0,5...1,2 0,7...2,7 4,4... 9,7 3,2...14,3 5,9...19,7

Нормы жесткости при изгибе гофрокартона (5Ь) были разработаны с использованием распределения величин механических характеристик гофрированного картона, у которых существуют нормы величин - сопротивление продавливанию (П) и сопротивление торцевому сжатию {ЕСТ).

Таблица 8 - Нормы жесткости при изгибе гофрокартона

Марка Предлагаемая Марка Предлагаемая

гофро- норма гофро- норма

картона 5ь, Н м картона 5ь Н м

Трёхслойный гофрокартон Пятислойный гофрокартон

Т21 0,35 П31 6,6

Т22 1,45 П32 9,3

Т23 2,46 ПЗЗ 11,6

Т24 3,00 П34 14,9

Т25 3,67 П35 18,8

Т26 4,56 П36 21,1

Т27 5,39

Рассчитанные и предложенные для использования нормы жесткости при изгибе трёхслойного гофрокартона для марок Т21-Т27, и пятислойного гофрокартона для марок П31-П36 представлены в таблице 8 [22].

Проверка соответствия вырабатываемого гофрокартона разработанным нормам показала соответствие им в большинстве случаев.

Влияние факторов эксплуатации на сохранение прочности и жесткости гофрированного картона

Для количественной оценки релаксационных процессов в структуре гофрокартона, были выполнены испытания на сжатие на прессе ИТС-201 16 образцов размерами 100x25 мм, трёхслойного и 10 образцов пятислойного гофрокартона различной композиции Зафиксированы и обработаны графики изменения нагрузки при сжатии во времени. Исследовано влияние композиции гофрокартона, величины приложенной

а 6

Рисунок 24 - Релаксационные свойства гофрированного картона при долговременном сжатии при варьировании: а - приложенной нагрузки; б - влажности материала

Установлено, что определяющее значение на скорость релаксационных процессов в структуре материала имеет величина приложенной нагрузки, с увеличением которой увеличивается скорость релаксационных процессов [28,32].

Увеличение влажности гофрокартона приводит к однозначному и достаточно резкому снижению жесткости материала, как при кратковременном, так и при долговременном сжатии. Поскольку свойства гофрокартона во многом определяют жесткость и прочность гофроящика, то особенно важным при выборе композиции гофрокартона является учёт условий хранения затаренной продукции. Критическими условиями можно считать влажность материала более 10 %, когда снижение жёсткости материала составляет более 30 %.

Заключение о скорости релаксационных процессов в структуре картона при сжатии дает абсолютная величина параметра скорости релаксации в (угловой коэф-

I

Картон по типам

фициент прямой зависимости <сР-1п Г»). Чем выше абсолютное значение б, тем интенсивнее протекают релаксационные процессы. Количественные характеристики этой зависимости для гофрокартона были определены по графикам, рисунок 25. Точки, полученные для разных уровней нагрузки и разных марок и композиции, показали зависимость, близкую к линейной.

Похожий характер зависимостей для лайнеров, трёхслойного гофрокартона и пятислойного гофрокартона позволяют высказать гипотезу об общем характере зависимости релаксационных процессов от приложенной к целлюлозно-бумажному материалу нагрузки и особой роли параметра скорости релаксации й. Полученное уравнение носит общий характер и может быть использовано для расчёта параметра й любого гофрокартона: в = -0,0258-7^ +0,1805, (2)

Я = 0,95.

Рисунок 25 - Зависимость параметра скорости релаксационных процессов С в структуре гофрокартона от величины приложенной нагрузки Ртах при сжатии образцов Используемая для прогнозирования свойств гофрокартона в условиях долговременного действия нагрузки зависимость, связывающая начальную нагрузку и нагрузку Р„ регистрируемую силоизмерительным датчиком в момент времени г, имеет вид:

^ = (3)

где /, с - продолжительность действия нагрузки; б, рассчитывается по уравнению (2). Далее вычисляются абсолютное (АР, Н) и относительное (АР, %) снижение нагрузки, потери 0, % и коэффициент запаса к.

Исследование механического поведения при сжатии тары из гофрированного картона

Для количественной оценки прочностных свойств гофроящиков в условиях, когда климатические условия существенно отличаются от стандартных, были выполнены исследования по влиянию влажности гофроящиков (от 2,7 до 15 %) и температуры окружающей среды (от -20 до +40 °С) на прочность гофроящиков при сжатии. Проведены испытания гофроящиков с внутренними размерами (380x253x215) мм, из гофрокартона марки Т-23. Получены зависимости для расчета ВСТ№ ящика при относительной влажности гофрокартона \¥, % при известной величине ВСТ5, определённой при стандартных условиях при влажности

ВСТ№ = 5С7И100-1,3304 (Ш - Ж5) - 0,3782 (IV- й^)2)/100, (4)

и ВСТ, ящика при температуре °С при известной величине ВСТ$, определённой при стандартных условиях при температуре

ВСТ, = ВСТУ( 100 + 0,0419^-^ - 0,0021 (/-^)2)/100 (5)

Разработанные регрессионные модели дают возможность оптимизировать выбор композиции гофрокартона для выработки ящиков заданного назначения, для которых известны условия хранения и транспортировки в случаях выхода внешних условий температуры и влажности за оптимальные значения.

Исследование деформационных характеристик гофроящиков при сжатии

При оценке прочности гофротары в различных условиях эксплуатации, в основном, речь идет о сопротивлении сжатию ящика - ВСТ (Box Compression Test), которое измеряется по ГОСТ 18211-72 на испытательных прессах при скорости приложения сжимающей нагрузки 10 мм/мин. За результат принимается максимальное значение нагрузки, регистрируемое датчиком пресса.

Современный испытательный пресс позволяет не только определить максимальное значение прочности при сжатии ВСТ (при которых происходит разрушение гофроящика), но и получить кривую зависимости нагрузка-смещение «f-Д/» и оценить деформационное поведение гофроящика в процессе испытания.

Кривая деформирования гофроящика при сжатии состоит из нескольких участков, рисунок 26. На участке (I) происходит закрытие клапанов гофроящика и сжатие верхнего и нижнего дна за счет гофрослоя. На участке (II) сжимающую нагрузку воспринимают непосредственно вертикальные стенки гофроящика, и зависимость имеет линейный характер, что свидетельствует об обратимых деформациях. При нагрузках в пределах участка (II) гофроящик сохраняет и форму, и устойчивость, и не теряет потребительских свойств. На участке (III) ящик еще не разрушен, но уже начинает терять форму, загиб кривой свидетельствует о необратимых деформациях, при нагрузках в этой области гофроящик, потеряв форму, не способен ее восстановить, а при длительном действии этой нагрузки неизбежно разрушится. Последний участок (IV), после точки максимальной нагрузки, характеризует разрушение образца.

Прогнозировать способность гофроящика к штабелированию позволяют характеристики, рассчитанные при математической обработке кривой «F-Д/», получаемой при испытании гофроящика на сжатие при определении ВСТ. Способность гофроящика выдерживать нагрузку сохраняется, если её величина не превышает предела участка (II) - линейный участок с максимальной крутизной кривой, рисунок 27. При таких условиях гофроящик сохраняет и форму, и устойчивость. По величине нагрузки на границе зоны II, можно определить предельную допустимую нагрузку на гофроящик при штабелировании [33,36].

Смещение Ц. мм

Рисунок 26 - Типичная кривая зависи- Рисунок 27 - Определение точки «штабелиро-мости нагрузка-смещение при испыта- вания» по касательной, характеризующей мак-нии гофроящика на сжатие симальную жесткость гофроящика

Для ряда гофроящиков были выполнены испытания на сжатие на прессе Testometric 25СТ Box. Расчеты выполнены по разработанной нами программе для ЭВМ, которая позволяет получить среднюю кривую «F-AI» и определить ряд деформационных характеристик, как в точке разрушения, так и в «точке штабелирования», рисунок 27.

На рисунке 28 приведены средние кривые «^-Д/вдля гофроящиков из трёхслойного и пятислойного гофрокартона, которые имели различные типоразмеры, изготовлены из гофрокартона разных типов и марок, и, как следствие, показали различный уровень ВСТ. Результаты обработки показали, что ящики имеют не только разную прочность, но и разную способность к деформированию - у каждого образца свой угол максимального наклона, точка перехода к упругой работе, точка перегиба на кривой, после которой развиваются необратимые деформации, длина кривой по

а б

Рисунок 28 - Средние кривые зависимости нагрузка-смещение для ящиков: а - из трёхслойного гофрокартона; б - из пятислойного гофрокартона

Расчётная величина нагрузки, которую гофроящик выдержит при штабелировании, составляет в среднем для различных ящиков из трёхслойного гофрокартона 51...84 % от ВСТ, из пятислойного 48...73 % от ВСТ, для ящиков одного типоразмера из гофрокартона одной марки - 47...81 % от ВСТ.

Надежный результат, обеспечивающий сохранение формы гофроящика при штабелировании в стабильных условиях влажности воздуха и температуры, составляет величину нагрузки 54 % от ВСТ [36,49].

Прогнозирование сопротивления сжатию ящиков из гофрированного картона

Для выполнения расчета необходимой прочности гофроящика при сжатии при известных условиях затаривания, штабелирования и хранения и выбора композиции гофрокартона, обеспечивающей заданный уровень прочности при сжатии гофроящиков, создана и принята для использования на ОАО «Архбум» программа для ЭВМ [57], использующая разработанную и представленную в данной работе методику.

Для расчета требующейся величины прочности при сжатии гофроящика в общем виде используется выражение

ВСТ = FHxk, (6)

где F„ - нагрузка на нижний ящик в штабеле, Н; к - коэффициент запаса (safety factor).

Коэффициент запаса к учитывает влияние ряда различных факторов:

к= кш к; к„керк0 (7)

где кш - коэффициент, учитывающий точку штабелирования гофроящика; к, -коэффициент, учитывающий температуру хранения t,°C; kw - коэффициент учитывающий влажность гофроящика при хранении; квр - коэффициент, учитывающий релаксацию материала при хранении в условиях заданной влажности материала; к0 - коэф-

фициент, учитывающий наличие и площадь отверстий в гофроящике для ручек и вентиляции.

Установленные зависимости позволяют рассчитать величины этих коэффициентов при известных условиях эксплуатации. Данный метод дает возможность рассчитать предельную допустимую влажность гофрокартона при хранении ящика при заданном сроке хранения, или максимальный срок хранения в штабеле при заданной влажности гофроящика.

Для прогнозирования сопротивления сжатию ящиков ВСТ, кН, использовано применяющееся в мировой практике уравнение Мс Кее, включающее сопротивление торцевому сжатию гофрокартона ЕСТ, кН/м; жесткость при изгибе гофрокартона Бь, Нм и периметр гофроящика Р, м:

ВСТ=к-ЕСГ-8ь{хА)-Т*2хЛ) (8)

Величины коэффициентов к их определены для каждой разновидности гофрокартона, тем самым учитывается тип и количество слоев, а так же профиль гофры.

При заданных числе слоёв, профиле гофры и типе наружного слоя гофрокартона задача выбора композиции гофрокартона, обеспечивающей заданный уровень ВСТ ящика, решается путем отбора по заданным условиям из общего списка композиций гофрокартона. При известных ЕСТ, кН/м и Бь, Н м для каждой композиции и величин коэффициентов к их для каждой марки гофрокартона, и, используя размеры (периметр) гофроящика конкретного типоразмера Р, м, по уравнению (8) рассчитывается величина ВСТ, кН с заданным допуском.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1) На основании проведенных исследований разработан и реализован на практике комплекс новых методик определения структурных, деформационных и прочностных характеристик целлюлозно-бумажных материалов при растяжении, сжатии и изгибе, включая методическое, аппаратурное и программное обеспечение. Получены новые данные и расширены научные представления о деформационном поведении волокнистой структуры. Разработан комплексный научный подход к прогнозированию деформационных свойств бумаги, картона и изделий из них. Методики из разработанного комплекса апробированы для оценки качества волокнистых целлюлозно-бумажных материалов на предприятиях отечественной целлюлозно-бумажной промышленности и научно-исследовательских организациях, а также использованы при подготовке материалов докторских и кандидатских диссертаций.

2) Теоретически доказана и экспериментально обоснована основополагающая роль зависимости напряжение-деформация для определения характеристик деформа-тивности при растяжении целлюлозно-бумажных материалов, позволяющих повысить достоверность определения качества с точки зрения оценки и прогнозирования уровня потребительских свойств бумаги и картона при конечном использовании.

3) Установлены закономерности формирования характеристик деформативно-сти и прочности целлюлозно-бумажных материалов (сульфатной хвойной небеленой целлюлозы, сульфатной лиственной беленой целлюлозы, писчей бумаги, офисной бумаги, картона для плоских слоев гофрированного картона) на различных стадиях производства. Определены факторы и стадии производства, имеющие решающее значение для достижения заданного уровня деформационных характеристик.

4) На базе проведенных исследований установлены количественные зависимости между фундаментальными характеристиками волокна и структурными, деформа-

ционными и прочностными характеристиками технической целлюлозы, бумаги и картона при растяжении, сжатии и изгибе. Установлено, что наибольшее влияние на деформационные свойства сульфатной небеленой хвойной целлюлозы при растяжении оказывают межволоконные силы связи, при этом изменения наблюдаются как в упругой области деформирования, так и в области предразрушения. Принудительное изменение величины отдельных фундаментальных характеристик целлюлозы приводит к одновременному изменению других свойств, что подтверждает их взаимозависимость. Прочность волокна является базовой характеристикой, принудительное изменение которой в обязательном порядке влечет за собой изменение остальных фундаментальных свойств. Установлено критическое значение средней длины волокна хвойной целлюлозы, равное 1,2 мм, ниже которого наблюдается резкое снижения уровня деформационных и прочностных характеристик.

5) Предложена и обоснована гипотеза о механизме процессов, происходящих при деформировании и разрушении целлюлозно-бумажных материалов при растяжении. Показана особая роль прочности, длины волокна и межволоконных связей в сохранении жесткости волокнистой структуры в условиях развития деформаций. Доказана решающая роль межволоконных связей в упругой области деформирования и прочности волокна в зоне предразрушения.

6) Разработаны адекватные математические модели, на основании которых предложен и экспериментально подтвержден способ прогнозирования характеристик деформативности и прочности при растяжении для сульфатной хвойной небеленой целлюлозы по данным о структурно-морфологических характеристиках волокна, полученных на автоматическом анализаторе L&W FiberTester с использованием феноменологической модели деформирования стандартного упруго-эластического тела с одним временем релаксации. Это позволяет сократить время получения информации о деформационных свойствах целлюлозного материала до 20 минут, исключив изготовление отливок и проведение испытаний.

7) Разработан метод исследования неоднородности локальных деформаций и напряжений при растяжении образца, доказано их наличие в неоднородной структуре целлюлозного волокнистого материала и дана их количественная и статистическая оценка. Установлено, что при растяжении образца ещё на начальном этапе деформирования имеются области, в которых величины локальных напряжений превышают среднее разрушающее напряжение для образца. Разрушение образца происходит, когда количество локальных зон с сильными перенапряжениями превышает критическое значение. Экспериментально подтверждено, что образец разрывается в области с максимальной неоднородностью локальных деформаций.

8) Рассчитаны, апробированы и предложены для использования нормы величин жесткости при изгибе трёхслойного гофрокартона для марок Т21-Т27 и пятислойного гофрокартона для марок П31-П36.

9) По результатам исследований разработан и принят для использования на производстве метод расчёта необходимого уровня прочности при сжатии гофроящика известного назначения в зависимости от условий хранения и штабелирования. Разработано программное обеспечение для расчета и выбора композиции гофрированного картона для выработки гофроящиков данного типа, обеспечивающей заданный уровень прочности гофроящика.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Казаков Я.В., Комаров В.И. Связь фундаментальных свойств (по Кларку) неразмоло-той сульфатной небеленой целлюлозы с характеристиками деформативности и прочности // Лесн. журн. 1993. №2-3. С.112-116. (Изв. высш. учеб. заведений).

2. Казаков Я.В., Комаров В.И. Определение времени релаксации напряжения (и) у целлюлозно-бумажных материалов из статических кривых "а-е" при деформировании и нагру-жении с постоянной скоростью // Лесн. журн. 1993. №5-6. С.130-133. (Изв. высш. учеб. заведений).

3. Сухов Д.А., Деркачева О.Ю., Комаров В.И., Казаков Я.В. Изменение состава и структуры основных компонентов стенки волокна хвойной древесины в процессе сульфатной варки // Лесн. журн. 1994. №3. С. 99-104. (Изв. высш. учеб. заведений).

4. Казаков Я.В., Сухов Д.А., Деркачева О.Ю., Комаров В.И. Влияние структуры стенки волокна на фундаментальные, деформационные и прочностные характеристики сульфатной небеленой целлюлозы // Лесн. журн. 1994. №3. С. 105—111. (Изв. высш. учеб. заведений).

5. Сухов Д.А., Деркачева О.Ю., Авраменко Т.А., Комаров В.И., Казаков Я.В. Структура и бумагообразующие свойства волокон древесной целлюлозы / Pap For - 94. Международ, научн.-техн. конф. 10-12 октября С.-Петербург. С.17-19.

6. Казаков Я.В., Комаров В.И. Математическая обработка кривых зависимости "напряжение-деформация", полученных при испытании целлюлозно-бумажных материалов на растяжение // Лесн. журн. 1995. №1. С.109-114. (Изв. высш. учеб. заведений).

7. Казаков Я.В., Комаров В.И. Влияние режима варки на деформативность и прочность сульфатной целлюлозы // Лесн. журн. 1995. №4-5. С.94-104. (Изв. высш. учеб. заведений).

8. Казаков Я.В., Комаров В.И. Программа для математической обработки кривых зависимости "напряжение-деформация", полученных при испытании целлюлозно-бумажных материалов на растяжение / Информационный листок №80. Архангельский центр научно-технической информации, 1996 г. 6 с.

9. Казаков Я.В. Комаров В.И. Влияние качества щепы на деформативность и прочность хвойной небеленой целлюлозы / сб. Строение, свойства и качество древесины-96. II межд. симпозиум, октябрь 21-24, 1996, МГУЛ, Москва-Мытищи, Россия-МГУЛ, 1997. С.76-81.

10. Комаров В.И., Казаков Я.В., Деркачева О.Ю., Сухов Д.А. Корреляция характеристик структуры стенки волокна и деформативности и прочности образцов сульфатной небеленой целлюлозы, изменяющихся в процессе размола // Лесн. журн. 1998. №1. С.57-66. (Изв. высш. учеб. заведений).

11. Казаков Я.В. Деформативность и прочность сульфатной небеленой целлюлозы: дисс. ... канд. техн. наук 05.21.03 / Казаков Яков Владимирович. Архангельск: 1998. 251 с.

12. Комаров В.И., Казаков Я.В., Корнеев В.М., Чайкин A.A. Лабораторный испытательный комплекс для оценки деформативности и прочности целлюлозно-бумажных материалов / сб.: «Разработка импортозамещающих технологий и материалов в химической промышленности». Материалы Междун. науч.-техн. конфер. 20-22 октября. 1999. Минск, БГТУ, Респ. Беларусь. С.347-349.

13. Комаров В.И., Казаков Я.В. Анализ механического поведения целлюлозно-бумажных материалов при приложении растягивающей нагрузки // Лесной вестник МГУЛ. 2000. №3 (12). С.52-62.

14. Комаров В.И., Казаков Я.В. Использование феноменологической модели деформирования для прогнозирования деформативности сульфатной небеленой целлюлозы // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2000. №5. С.38-41.

15. Комаров В.И., Казаков Я.В., Кузнецова М.Ю. Лабораторная оценка вязкости разрушения наполненных целлюлозно-бумажных материалов // Техника машиностроения. 2000. №5 (33). С. 118-122.

16. Казаков, Я.В. Бумагообразующие свойства лиственной сульфатной целлюлозы при использовании ECF отбелки / Я.В. Казаков, Л.А. Миловидова, Г.В. Комарова, В.И. Комаров // «Экология Северных территорий России. Проблемы, прогноз, ситуации, пути развития,

решение». Материалы международной конференции. Том 2. Архангельск: ИЭПС УрО РАН. 2002. С.390-394.

17. Казаков Я.В., Комаров В.И., Гурьев A.B., Корнеев, В.М. Чайкин A.A. Опыт использования лабораторного испытательного комплекса ИП 5158-0,56 для оценки потребительских свойств бумаги и картона / «Проблемы развития российской целлюлозно-бумажной промышленности». Труды Междун. научно-техн. конфер. Москва, 25-28 ноября 2003 / Черноголовка, ИПХФ РАН. С.51-58.

18. Казаков Я.В., Комаров В.И., Зеленова C.B. Компьютерное моделирование структуры бумажного листа из волокон хвойной и лиственной древесной целлюлозы / Строение, свойства и качество древесины - 2004: труды IV Междунар. симпозиума. Санкт-Петербург: 2004. Том I. С. 238-241.

19. Зеленова C.B. Казаков Я.В., Комаров В.И. Анализ формы целлюлозных волокон в структуре бумажного листа / Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы II Всероссийской конф. Барнаул: Изд-во Алт. Ун-та, 2005. Книга I. С. 40-48.

20. Казаков Я.В., Зеленова C.B., Комаров В.И. Влияние оптической неоднородности структуры на деформационные и прочностные характеристики писче-печатной бумаги / Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. статей по материалам Всероссийской науч.-техн. конф., посвященной 75-летию Сибирского ГТУ. Красноярск: СибГТУ, 2005. Том I. С. 172-176.

21. Казаков Я.В., Чухчин Д.Г., Майоров И.С., Зеленова C.B., Комаров В.И. Автоматизация определения фракционного состава макулатурной массы / Современные научные основы и инновационные технологии бумажно-картонных материалов с использованием вторичного волокна из макулатуры: материалы 7-я Междунар. науч.-техн. конф. Караваево-Правда, 2006. С. 55-56.

22. Казаков Я.В., Гурьев A.B., Комаров В.И., Крыжановский А.О., Журавлёва А.Н. Жёсткость при изгибе гофрокартона // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2006. № 6. С.50-52.

23. Зеленова C.B., Казаков Я.В., Комаров В.И. Лабораторная оценка изменения струк-турно-ориентационного состояния волокон в листе бумаги в z-направлении / Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. статей по материалам Всероссийской науч.-техн. конф. //Красноярск: СибГТУ, 2006. Том I. С. 177-182.

24. Комаров В.И., Казаков Я.В., Гурьев A.B. Методология комплексной оценки дефор-мативности волокнистых целлюлозно-бумажных материалов / Актуальные проблемы и перспективы развития российской целлюлозно-бумажной промышленности: сб. информ. сообщений по материалам IX междунар. науч.-техн. конф. Pap-For 2006. С-Пб.: 2006. С.44-47.

25. Казаков Я.В., Зеленова C.B., Комаров В.И. Влияние неоднородности структуры на характеристики жесткости картонов-лайнеров // Лесн. журн. 2007. №3. С. 110-121. (Изв. высш. учеб. заведений).

26. Казаков Я.В., Гурьев A.B., Комаров В.И., Крыжановский А.О., Журавлёва А.Н. Нормирование жёсткости гофрокартона при изгибе // Бумага и жизнь. 2006. №4. С.40-44.

27. Казаков Я.В., Суханов A.B., Комаров В.И. Анализ перераспределения локальных деформаций в структуре бумаги в процессе растяжение // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2006. Ноябрь. Пилотный научный выпуск. С.51-53.

28. Казаков Я.В., Комаров В.И., Лапина Н.В., Журавлева А.Н., Крыжановский А.О. Влияние климатических условий на сохранение уровня потребительских свойств гофрокартона / Теория и инновационные технологии бумажно-картонной продукции с использованием вторичного волокнистого сырья. VIII Междунар. науч.-техн. конф. Караваево, 2007. С.46-50.

29. Сысоева Н.В., Гурьев A.B., Казаков Я.В., Зеленова C.B., Комаров В.И., Анисимов A.B. Влияние условий размола на свойства бумажной массы, качество формования и характеристики офсетной бумаги / Теория и инновационные технологии бумажно-картонной продукции с использованием вторичного волокнистого сырья. VIII Междунар. науч.-техн. конф. Караваево, 2007. С.39-42.

30. Казаков Я.В., Суханов A.B., Комаров В.И. Развитие локальных напряжений в структуре бумаги при растяжении // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2007. №12. С.36-39.

31. Suhanov A, Kazakov Ya., Komarov V. Analysis of local deformations and strains in structure of top-liner under tensile loading / 13th International symposium in the field of pulp, paper, packaging and graphics // Proceedings. Zlatibor, Cigota. 2007. Belgrade. P.20-22.

32. Казаков Я.В., Комаров В.И., Крыжановский A.O., Журавлёва А.Н. Количественная оценка долговременной прочности при сжатии материалов, используемых в производстве гофрированного картона / Научные основы высокоэффективной переработки макулатурного сырья. 9-я Междунар. науч.-техн. конф. Караваево. М.: Изд-во МГУЛ, 2008. С.32-39.

33. Kazakov Yakov, Andrey Krizhanovskiy, Alevtina Zhuravleva, Valéry Komarov. Determination of stacking ability of corrugated boxes from the analysis of loading-deformation curve at BCT test / 14th International symposium in the field of pulp, paper, packaging and graphics/ Proceedings. Zlatibor, Cigota. 2008. P.81-85.

34. Kazakov Ya., Komarov V., Suhanov A. Analysis of local deformations and stresses in structure of handmade sheets with different furnish under tensile loading / Progress in paper physics seminar // Proceedings. Helsinki University of Technology, TKK, Dipoli, Otaniemi, Espoo, Finland, 2-5 June 2008. P.201-205.

35. Казаков Я.В. Трехмерное моделирование целлюлозных волокон / Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы IV Всероссийской конф. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2009. Книга I. С. 57-59.

36. Kazakov Ya., Krizhanovskiy A., Komarov V. Investigation of deformation behavior of corrugated board boxes at compression / 15th International symposium in the field of pulp, paper, packaging and graphics // Proceedings. Zlatibor, 2009. P.87-91.

37. Казаков Я.В. Вероятностное описание и моделирование структуры бумажного листа как стохастической волокнистой сетки / Современная наука и образование в решении проблем экономики европейского Севера: Матер, междун. научн.-техн. конф. посвящ. 80-л. АЛТИ-АГТУ. Архангельск: Изд-во АГТУ, 2009. С. 126-127.

38. Казаков Я.В., Комаров В.И., Ларина Е.Ю. Деформация волокнистых целлюлозно-бумажных материалов при сжатии в плоскости листа // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2010. №1. С.59-62.

39. Kazakov Ya., Komarov V. Prognosis of printing paper deformation properties from formation analysis / 16th International symposium in the field of pulp, paper, packaging and graphics // Proceedings. Zlatibor, 2010. P.106-108.

40. Kazakov Ya., Shnykova A., Domashnaya E. Interrelation of formation heterogeneity and stretch deformation heterogeneity of laboratory paper samples / 17th International symposium in the field of pulp, paper, packaging and graphics/ Proceedings. Zlatibor, 2011. P.69-73.

41. Казаков Я.В. Практика использования характеристик деформативности для оценки качества бумаги и картона. / В сб. «Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов»: материалы I Междунар. науч.-техн. конф / Архангельск: Сев. (Арктич.) федер. ун-т им. М.В. Ломоносова, 2011. С.88-94.

42. Дьякова Е.В., Гурьев А.В., Казаков Я.В., Демидов М.Л. Перспективы развития прикладных исследований в ЦБП на базе Федерального университета // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2012. №2. С.37-41.

43. Казаков Я.В., Шестакова Е.В. Влияние неоднородности структуры на развитие локальных деформаций в образце целлюлозно-бумажного материала при растяжении / В сб. «Современное оборудование и технологии изготовления бумажно-картонной продукции из макулатурного сырья. Производство гофрокартона и изготовление тары»: Материалы и доклады 13-й Междун. науч-техн. конфер. 23-25 мая 2012 г. Караваево. М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2012. С.52-61.

44. Kazakov Ya. Stress-strain behavior of pulp and paper materials under tensile loading / 18lh International symposium in the field of pulp, paper, packaging and graphics, June, 19th-22n 2012/ Proceedings. Zlatibor, 2012. P.57-60.

45. Казаков Я.В. Количественная оценка неоднородности деформирования образца бумаги при одноосном растяжении с постоянной скоростью / Лесн. журн. 2013. №2. С.180-185. (Изв. высш. учеб. заведений).

46. Казаков Я.В. Решение проблем механики волокнистых целлюлозно-бумажных материалов на основе концепции комплексной оценки качества / В сб. «Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов»: материалы II Междунар. науч.-техн. конф. // Архангельск: Сев. (Арктич.) федер. ун-т им. М.В. Ломоносова, 2013. С.17-22.

47. Манахова Т.Н., Казаков Я.В. Расчет параметров феноменологической модели деформирования целлюлозного материала по результатам измерений на автоматическом анализаторе волокна // Лесн. журн. 2014. №1. С.140-147. (Изв. высш. учеб. заведений).

48. Казаков Я.В. Характеристика геометрических параметров волокон целлюлозных полуфабрикатов с использованием вероятностных методов // Химия растительного сырья. 2014. №1. 269-275.

49. Казаков Я.В. Современные технологии количественной оценки поведения ящиков из гофрированного картона при сжатии // Гофроиндустрия. 2014. №5/95. С.36-39.

50. Свид. № 2001610526 Российская Федерация. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Программное обеспечение лабораторного испытательного комплекса для оценки деформативности и прочности целлюлозно-бумажных материалов (KOMPLEX). / Я.В. Казаков, В.И. Комаров; заявитель и правообладатель ГОУ ВПО АГТУ (RU). № 2001610250; заявл. 11.03.2001; опубл. 10.05.2001, Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

51. Свид. № 2001610527 Российская Федерация. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Программа для расчёта характеристик вязкости разрушения целлюлозно-бумажных материалов согласно SCAN-P 77:95 (JINTEGRAL). / Я.В. Казаков, В.И. Комаров; заявитель и правообладатель ГОУ ВПО АГТУ (RU). № 2001610251/69; заявл. 11.03.2001; опубл. 10.05.01, Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

52. Свид. № 2010612795 Российская Федерация. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа для обработки результатов испытаний на изгиб целлюлозно-бумажных материалов (Stiffness). / Я.В. Казаков, Д.Г.Чухчин, Е.Ю.Ларина, В.И.Комаров; заявитель и правообладатель ГОУ ВПО АГТУ (RU). № 2010610990; заявл. 02.03.2010; опубл. 23.04.2010, Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

53. Свид. № 2011610731 Российская Федерация. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа для автоматизированного определения фракционного состава бумажной массы по длине волокна (Анализатор волокна). / Я.В. Казаков, Д.Г.Чухчин, И.С.Майоров: заявитель и правообладатель ФГАОУ ВПО САФУ (RU). № 2010617124; заявл. 15.11.2010; опубл. 11.01.2011, Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

54. Свид. № 2012612685 Российская Федерация. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа для количественной оценки неоднородности структуры бумаги на просвет (Анализатор формования). / Я.В. Казаков, В.В. Абрамова: заявитель и правообладатель ФГАОУ ВПО САФУ (RU). № 2012610587; заявл. 02.02.2012; опубл. 15.03.2012, Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

55. Свид. № 2012612982 Российская Федерация. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа для анализа и моделирования распределения по длине и ширине целлюлозных волокон в бумажной массе (Моделирование фракционного состава). / Я.В. Казаков: заявитель и правообладатель ФГАОУ ВПО САФУ (RU). № 2012610536; заявл. 30.01.2012; опубл. 26.03.2012, Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

56. Свид. № 2012612983 Российская Федерация. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа для трехмерного моделирования целлюлозного волокна (3D Fiber). / Я.В. Казаков: заявитель и правообладатель ФГАОУ ВПО САФУ (RU). № 2012610543; заявл. 30.01.2012; опубл. 26.03.2012, Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

57. Свид. № 2012660289 Российская Федерация. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа для расчета необходимой прочности гофроящика при сжатии (Box). / Я.В. Казаков, А.О. Крыжановский, А.Н. Журавлева: заявитель и правообладатель ФГАОУ ВПО САФУ (RU). №2012617935; заявл. 21.09.2012; опубл. 14.11.2012, Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

58. Свид. № 2013619256 Российская Федерация. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа для прогнозирования деформационных характеристик целлюлозы по результатам анализа волокна (Prognoz) / Я.В.Казаков, Т.Н.Манахова: за-

явитель и правообладатель ФГАОУ ВПО САФУ (ГШ). № 2013617338; заявл. 13.08.2013; опубл. 30.09.2013, Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

59. Свид. № 2014617014 Российская Федерация. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа для анализа полей локальных деформаций и напряжений в образцах бумаги при растяжении (Неоднородность деформирования) / Я.В.Казаков, О.Я.Казакова, А.В.Рудалев: заявитель и правообладатель ФГАОУ ВПО САФУ (Щ). № 2014614773; заявл. 22.05.2014; опубл. 09.07.2014, Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1ср - средняя длина волокна в образце, мм;

- межволоконные силы связи, МПа; р - плотность (объемная масса) бумага, г/см3; Ло - нулевая разрывная длина, м; т — масса 1 м2 бумаги и картона, г/м2; А/ — удлинение, мм; 5 - толщина образца, мкм; А/„зб - избыток массы в образце; Мтд- недостаток массы в образце; 2 — отношение распределения масс;

неравномерность распределения масс; ¿/сред - средний размер неоднородностей, мм; а - неоднородность просвета; К— контрастность; Т- светопропускание, % Н— индекс гистограммы яркости; /„рол, /попер - средние размеры неоднородностей, мм;

IV - средняя ширина волокон, мкм; /- средний фактор формы волокон, %; П — сопротивление продавливанию, кПа; ЕСТ-сопротивление торцевому сжатию, кН/м;

в - параметр скорости релаксации при сжатии;

ВСТ- сопротивление сжатию гофроящика, кН;

Лх - текущая работа деформирования, мДж; Ар- работа разрушения, мДж; Е- нагрузка, Н;

Е1- жесткость при изгибе, мН см2;

■Ас ~ трещиностойкость, мДж/м2;

Ь - разрывная длина, м;

ТУ- сопротивление излому, ч.д.п.;

К - сопротивление раздиранию, мН;

5ь- жесткость при изгибе, Н м;

5,- жесткость при растяжении, кН/м;

/ф - индекс формования (по методу ТесЬрар);

г - коэффициент корреляции

е - деформация, %;

ер - деформация разрушения, %;

ст - напряжение, МПа;

стр - разрушающее напряжение, МПа;

737мост - степень анизотропии жесткости,

измеренная ультразвуковым методом;

С| - предел упругости, МПа;

Е - модуль упругости, МПа;

Е\ - мгновенный модуль упругости, МПа;

Ег— модуль упругости в области

предразрушения, МПа;

Езам - замедленно-упругая составляющая

общей деформации, %;

А„л - пластическая составляющая работы

деформирования, %;

п - время релаксации, с;

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, с указанием фамилии, имени, отчества, почтового адреса, адреса электронной почты, наименования организации и должности, подписанные и заверенные печатью, просим направлять по адресу:

163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, САФУ имени М.В. Ломоносова, диссертационный совет Д 212.008.02.

Подписано в печать 20.02.2015. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 3391

Издательский дом САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56