Жесткость при изгибе бумаги для гофрирования в случае развития пластических деформаций в сжатой зоне

На правах рукописи

Ларина Екатерина Юрьевна

ЖЕСТКОСТЬ ПРИ ИЗГИБЕ БУМАГИ ДЛЯ ГОФРИРОВАНИЯ

В СЛУЧАЕ РАЗВИТИЯ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ

В СЖАТОЙ ЗОНЕ

05.21.03 – Технология и оборудование химической переработки

биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Архангельск

2011

Работа выполнена на кафедре технологии целлюлозно-бумажного
производства Северного (Арктического) федерального университета.

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ

Комаров Валерий Иванович

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор

Смолин Александр Семенович

кандидат технических наук

Иванов Константин Александрович

Ведущая организация - ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт бумаги», г. Санкт-Петербург

Защита состоится "13" мая 2011года

в 10оо часов на заседании диссертационного совета Д 212. 008. 02.

в Северном (Арктическом) федеральном университете по адресу:
163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северного (Арктического) федерального университета.

Автореферат разослан " 06 " апреля 2011 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат химических наук, доцент Т.Э. Скребец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Картонная и бумажная тара занимают ведущее место в тароупаковочной отрасли. Из всех видов тароупаковочных материалов более 50 % приходится на долю материалов из волокнистых полуфабрикатов, которые обладают важнейшими преимуществами: возможностью многократной вторичной переработки и максимальной экологичностью.

Важнейшей проблемой отечественных предприятий, выпускающих тарный картон, является оценка качества. Необходимо отметить, что российские предприятия с трудом переходят на мировые стандарты оценки качества целлюлозно-бумажной продукции. Повышение требований, предъявляемых к упаковке, заставляет производителей тары совершенствовать как технологию, так и методы испытания. Прогнозировать поведение гофроящика при использовании без учета жесткости при изгибе затруднительно. Однако данная характеристика практически не контролируется при производстве бумаги и картона на отечественных предприятиях.

Оценка жесткости при изгибе (важнейшей характеристики тарного картона) в настоящее время проводится с использованием в основном статических методов и допущением, что материал работает упруго. В связи с этим учет пластических деформаций при расчете жесткости при изгибе и определения влияния на них технологических факторов является актуальным.

Целью работы является: исследование влияния пластических деформаций, возникающих в образце при испытаниях на измеряемую величину жесткости при изгибе бумаги для гофрирования.

Для реализации данной цели поставлены и решены следующие задачи:

1) уточнить пригодность математического аппарата, учитывающего возникновение пластических деформаций при испытании на изгиб волокнистых материалов, для расчета жесткости при изгибе бумаги для гофрирования;

2) определить влияние геометрического фактора на величину пластических деформаций, возникающих в образце при измерении жесткости при изгибе;

3) исследовать влияние фундаментальных свойств целлюлозного волокна на величину пластических деформаций, возникающих в образце при измерении жесткости при изгибе;

4) исследовать влияние технологических факторов производства бумаги для гофрирования на величину пластических деформаций, возникающих при измерении жесткости при изгибе;

5) провести анализ влияния исследуемых факторов на реальную жесткость при изгибе, рассчитанную с учетом возникающих пластических деформаций.

Научная новизна. Автором диссертационной работы впервые получены следующие научные данные:

1. Развиты научные представления о механическом поведении бумаги для гофрирования при испытании на изгиб, что является теоретической основой для совершенствования методик испытания целлюлозно-бумажных материалов на изгиб и расчета величины жесткости при изгибе;

2. Получены новые данные о величине зон пластической деформации в образце бумаги для гофрирования, в зависимости от структурно-размерных характеристик и технологических параметров.

Практическая ценность. Усовершенствован метод расчета жесткости при изгибе волокнистых целлюлозно-бумажных материалов, который позволит более точно конструировать тару, учитывая пластические деформации.

Разработано программное обеспечение, зарегистрированное в Роспатенте, позволяющее проводить математическую обработку экспериментальных данных, полученных при испытании на изгиб образцов бумаги и картона.

Полученные данные являются основой для совершенствования технологии получения и переработки бумаги для гофрирования, а также направленного регулирования ее потребительских свойств.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на Международных конференциях в г. Караваево (2009, 2010 г.) и в г. Санкт-Петербург (2009, 2010 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях Архангельского государственного технического университета (2008 – 2010 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя: введение; аналитический обзор; методическую часть; экспериментальную часть, включающую пять разделов; общие выводы; приложение. Содержание работы изложено на 159 страницах, включая 70 рисунков и 36 таблиц, библиографию из 138 наименований.

Автором выносятся на защиту следующие основные положения диссертационной работы:

1) новые данные о механическом поведении бумаги для гофрирования при испытании на изгиб;

2) расчет по усовершенствованной методике определения жесткости при изгибе;

3) новые данные о влиянии структурно-размерных характеристик и технологических факторов на величину зон пластических деформаций в испытуемом образце и величину измеряемой жесткости при изгибе;

4) анализ полученных экспериментальных данных и рекомендации по оценке жесткости при изгибе волокнистых целлюлозно-бумажных материалов.

Краткое содержание работы

Введение. В этом разделе диссертационной работы обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы и задачи, подлежащие решению, указаны положения, выносимые на защиту.

Аналитический обзор. Включает 4 раздела. Дана краткая характеристика особенностей структуры целлюлозно-бумажных материалов. Проанализированы и оценены предложенные ранее методы расчетов величин жесткости при изгибе. Показана необходимость использования расчетов характеристик жесткости при изгибе с учетом пластических деформаций. Отмечено, что данную проблему следует рассматривать с использованием графоаналитического метода, который позволяет оценить величину жесткости при изгибе с учетом пластических деформаций в плоскости листа. Не обнаружено научных работ о влияние технологических факторов на развитие пластических деформаций при испытании на изгиб бумаги для гофрирования.

Методическая часть. В работе использовались образцы хвойной сульфатной целлюлозы высокого выхода (ЦВВ) и лиственной нейтрально-сульфитной полуцеллюлозы (НСПЦ) промышленного изготовления; образцы бумаги для гофрирования с массой 1 м2  112, 140 и 175 г, полученных на БДМ,

Для определения физико-механических свойств образцов бумаги применяли как стандартные, так и оригинальные методы испытания, в том числе метод для определения жесткости при изгибе на приборе «Messmer Buchel 116 – BD» по
ISO 2493-96, усовершенствованный метод определения сопротивления сжатию короткого участка образца по методу SCT в соответствии со стандартом ISO 9895. Оценку структурно-морфологических характеристик волокна проводили с помощью анализатора «Fiber Tester» L&W. Расчет величины жестокости при изгибе осуществлялся с помощью специально разработанного программного обеспечения для ЭВМ. Для обработки полученных данных использовались статистический и корреляционный анализ. Все математические расчеты выполнены на ЭВМ.

Экспериментальная часть состоит из 5 разделов.

1. Общие положения. В данном разделе рассматриваются два вопроса: во-первых, методики расчета величины жесткости при изгибе с учетом возникновения пластических деформаций в случаях проявления ползучести материала и в структуре по толщине образца и в плоскости листа; и, во-вторых, влияние геометрического фактора на расчетную величину жесткости при изгибе.

На рисунке 1 представлена экспериментально получаемая зависимость, учитывающая снижение величины нагрузки при сохранении величины деформации образца во времени.

	Расчет жесткости при изгибе с учетом нагрузки в точках 1 и 2 позволяет оценить снижении этой характеристики с учетом явления ползучести. Следовательно, расчет необходимо проводить по уравнению: , (1) где Sb – приведенная жесткость при изгибе, мН·м; Р – величина нагрузки, Н; угол изгиба; l – испытуемая длина образца, м; b – ширина образца, м.
Рисунок 1 – Кривая зависимости величины усилия от продолжительности испытания. Точки определения величин жесткости при изгибе: 1 с допущением, что деформация упругая; 2 – с учетом пластической деформации, возникающей в течение времени 2 – 1

На рисунках 2 и 3 показано, что волокна имеют совершенно разную форму и, кроме того, часть волокон имеет всевозможные деформации.

Известно, что при изгибе волокнистого материала в сжатой зоне возникает область неустойчивости. Волокна претерпевают боковую деформацию, что во многом обуславливает величину пластических деформаций. Величина критического напряжения сжатия сж зависит от геометрических размеров волокна и заметно снижается при наличии волокон со складками, перегибами, перекручиваниями.

Ранее была предложена гипотеза деформирования при изгибе целлюлозно-бумажных материалов, позволяющая рассчитать толщину слоя материала, в котором в сжатой зоне возникает неустойчивость структурных элементов, приводящая к увеличению деформации, т.е. к снижению жесткости.

		складки
		сжатие
		осевое микро сжатие
		перегибы
		перекручивание
Рисунок 2 – Геометрические размеры древесных волокон: А – хвойных пород; Б – лиственных пород; В – сосуды лиственных пород	Рисунок 3 – Различные виды возможной деформации стенки волокна

Принимаемые вид эпюры нормальных напряжений и уравнения для расчетов представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 –Упрощенная эпюра нормальных напряжений при испытании на изгиб

Для определения размеров а, d и c используются следующие уравнения:

(2)

(3)

(4)

(5)

а – слой, в котором возникает предельное состояние; d – слой, работающий на сжатие; с – слой, работающий на растяжение.

Расчет жесткости при изгибе с учетом неустойчивости, возникающий в слое а, производится по уравнениям:

(6)

Таким образом, зная величины напряжения раст и сж, можно оценить образование предельного состояния в зоне сжатия при изгибе образца.

Ранее был предложен математический аппарат, позволяющий рассчитывать жесткость при изгибе волокнистых древоподобных материалов с учетом пластических деформаций, возникающих в его плоскости образца.

(7)	где f – прогиб; Р – сила; W – момент сопротивления поперечного сечения образца, м3; I – момент инерции поперечного сечения образца, м4; Е – модуль упругости при изгибе, l – длина испытуемого образца; – напряжение в крайне сжатом волокне.

____________________________________________________________________________________________________
«Гид по волокну. Анализ волокна и его применение. Справочное руководство».
Хокан Карлссон, Лорентцен и Веттр АБ, Швеция.

При изгибе образца для расчетов важной характеристикой является критическая величина напряжения сжатия сж.

Нахождение длины образца, на которой развиваются пластические деформации при испытании на изгиб (х), производится методом экстраполяции при построении зависимости «критическое напряжение сжатия – испытуемая длина образца» (рисунок 5). Для нахождения величины х и критического напряжения сжатия были испытаны образцы бумаги для гофрирования методом SCT, активная длина испытуемого образца изменялась от 0,7 до 2,0 мм.

Рисунок 5 – Экстраполяция величины критического сопротивления сжатию сж с целью нахождения величины х

В таблице 1 представлены данные о величинах жесткости при изгибе бумаги для гофрирования, измеренной стандартным методом и после заданной выдержки под постоянным усилием, т.е. при проявлении эффекта ползучести.

Таблица 1 Жесткость при изгибе бумаги для гофрирования, рассчитанная с допущением, что материал деформируется упруго (Sbу) и с учетом пластических деформаций (Sb2), возникающих при постоянной деформации во времени.

Исследуемый фактор	, мкм	1 – 2, сек	Точка 1 на кривой «Р – »*			Точка 2 на кривой «Р – »			Sb**, %
			Sbу, мН·м	EIу, мН·см2	Еуизг, МПа	Sb2, мН·м	EI2, мН·см2	Е2изг, МПа
MD	196	1,3	1,70	648	2955	1,46	556	2570	14,1
CD	204	1,2	0,64	244	770	0,56	213	675	12,5
Отливка	179	1,3	1,25	476	2720	1,03	392	2230	17,6

*) см. рисунок 1; ** ) ((Sbу - Sb2)/Sbу)·100 %

Из таблицы 1 следует, что пластические деформации, возникающие в образце при проявлении эффекта ползучести продолжительностью (1 – 2), снижают измеряемую величину жесткости при изгибе в направлении MD на 14 %, в направлении CD на 12,5 %, а у лабораторного образца на 17,6 %.

В таблице 2 представлены результаты расчета жесткости при изгибе с учетом пластических деформаций, возникающих по толщине (Sbт) и в плоскости (Sbп) образца.

Таблица 2 Результаты жесткости при изгибе с учетом пластических деформаций, возникающих по толщине и в плоскости листа бумаги для гофрирования

Исследуемый фактор	, мН·м	С учётом слоя а		Данные с учетом пэсж			Sb, %
		, мН·м	, мкм	, мН·м	пэсж, МПа	x, мм	тэ	пэ
MD	1,70	0,66	76	1,36	25,1	11,5	61,2	20,0
CD	0,64	0,29	33	0,54	24,1	11,2	54,7	15,6
Отливка	1,25	0,40	67	1,10	21,6	9,7	68,0	12,0