Структурно-механічні властивості паперу, Статьи, Дизайн, шрифти, типографіка
Формування структурно-механічних властивостей паперу починається задовго до утворення вологого паперового полотна на сітковій частині папероробної машини та її сушіння на сушильних циліндрах. В основі паперового листа лежить сітчаста структура, що складається з одиничних волокон, з'єднаних міжволоконними зв'язками. Одиничне волокно є основним елементом - "атомом" паперу, що має складну структуру та хімічний склад.
В.В. Левшина та А.В. Бувшев - вчені з Сибірського державного технологічного університету (Красноярськ, Україна) - узагальнили нові підходи до формування структурно-механічних властивостей паперу, що ґрунтуються на вивченні системи "армуючий компонент - наповнювач". Ними представлено математичний опис міцності одиничного целюлозного волокна, проаналізовано значення міцності зв'язку волокна в листі та їх зміну під впливом процесу розмелювання. Визначено довжину волокон, що є армуючим компонентом паперового полотна.
Відомо, що целюлозне волокно можна порівняти з армованим бетоном, в якому фібрили є міцними стрижнями, а лігнін - міцним стисканням наповнювачем. Звідси випливає, що міцність волокон визначається структурою та орієнтацією фібрил, а хімічний склад волокна на неї (міцність) не впливає. Висунута Льовиною і Бувшевим гіпотеза отримала експериментальне підтвердження у проведених дослідженнях: міцність волокна може бути описана як функція ступеня впорядкованості целюлози та кута нахилу фібрил у шарі S2.
Міцність одиничного волокна насамперед формується за рахунок морфологічних особливостей деревини і зазнає значних змін у процесах делігніфікації та відбілювання, які найбільше впливають на молекулярну та надмолекулярну структуру волокна.
Вченимибуло встановлено, що розмелювання целюлози вже на першій стадії руйнує більш слабкі ранні волокна, зміцнюючи при цьому армуючий компонент паперового полотна.
Міцність одиничного волокна не змінюється в процесі розмелювання до появи дефектів у шарі S2, що відбувається при досягненні ступеня помелу 60-70 ° ШР. Це - експериментальне підтвердження відомого трактування зміни значень розривної довжини в залежності від ступеня помелу, що говорить:
"Розривна довжина швидко зростає в першій стадії розмелювання, досягає максимуму при ступені помелу 60-70 ° ШР, а потім починає знижуватися. Точка перегину досягається тоді, коли подальший розвиток сил зв'язку вже не може компенсувати падіння міцності за рахунок зниження середньої довжини волокна в папері та зниження міцності самого волокна, ослабленого розмолом”.
Однак слід зазначити, що до 60-70 ° ШР зростають міцність армуючих волокон та їх внесок у механізм розриву паперу, а вже після цієї точки в армуючих волокнах з'являються дефекти та їх міцність знижується. Тобто, як показали дослідження, до 60-70°ШР розривна довжина збільшується не тільки внаслідок зростання числа міжволоконних зв'язків, а й за рахунок збільшення міцності та кількості армуючих волокон.
Міжволоконні зв'язки є найважливішим чинником, який формує структурно-механічні властивості паперу. Встановлено, що у паперовому листі з нерозмелених волокон сили зв'язку між ними на 80% обумовлені силами тертя та Ван-дер-Ваальса, 20% - водневими; з розмелених - у середньому 40 та 60% відповідно. Відомо, що водневі сили зв'язку виникають при зближенні вільних гідроксильних груп на поверхні целюлози. Як показали дослідження, пресування вологих виливків паперу призводить до збільшення його об'ємної маси і при цьомупропорційно їй збільшується міцність зв'язку одиничного волокна листі внаслідок ущільнення структури листа.
Величина водневих сил зв'язку залежить від кількості вільних гідроксильних груп, що збільшується при розкритті зовнішньої поверхні волокна. Тому на міцність зв'язку волокна в листі впливає величина зовнішньої поверхні целюлози. Це видно на прикладі розмелювання сульфатної та сульфітної целюлози в ролі Валлея та дискового млина (рис. 1-2). У проведених дослідженнях зовнішня поверхня волокна побічно характеризувалася ступенем ушкодженості зовнішніх шарів клітинної стінки.
Для сульфітної та сульфатної целюлоз значення цього показника змінюється в залежності від ступеня її помелу приблизно однаково і відрізняється при розмелюванні на різному розмелювальному устаткуванні: ролі або дисковому млині.
Міцність зв'язку волокна у листі визначається ставленням сили зв'язку волокна до його бічної поверхні. Бічна поверхня є функцією його діаметра і довжини, але оскільки діаметр набагато менше довжини, то їм можна знехтувати і говорити про переважну дію останньої. Але у зв'язку з тим, що в процесі розмелювання довжина волокон знижується, особливо для сульфітної целюлози, розмеленої в дисковому млині, міцність зв'язку волокна в листі може уповільнювати своє зростання зі збільшенням ступеня помелу целюлози (див. рис. 1).
На величину міцності зв'язку волокна в листі впливає взаємодія, що виникає в системі "армуючий компонент - наповнювач". Відомо, що наповнювач – це короткі волокна з добре розвиненою зовнішньою поверхнею. Встановлено, що для білених целюлоз армуючий компонент, який представлений довгими волокнами, не потребує впливу процесурозмелювання при отриманні масових видів паперів, так як поверхня цих волокон має достатню величину і розкрита вже під дією варильного та відбільного процесів. При отриманні паперу з невибіленої целюлози армуючого компонента необхідний розмелювання (до 20°ШР) з метою додаткового збільшення зовнішньої поверхні та гнучкості волокон, так як в іншому випадку фізико-механічні показники паперу будуть мати значення, що не відповідає стандарту. Як армуючий компонент переважно целюлоза хвойних порід, що складається з довгих волокон. Кращим наповнювачем є целюлоза листяних порід, але може бути використана і целюлоза хвойних, піддана розмелу з домінуючим впливом, що рубає.
За допомогою розробленої вченими моделі паперового листа отримані результати, що підтверджують дані Д. Ван ден Аккера: для нерозмеленої целюлози в зоні розриву листа розривається 1/3 волокон, а для розмеленої - 3/4. Проведена кількісна оцінка вкладу міцності волокон у міцність паперового листа доводить важливість міцності волокон для фізико-механічних властивостей паперу. Отже, при виборі волокнистого матеріалу для отримання паперу необхідного рівня якості необхідно звертати увагу на величину цього показника та фактори, що його формують.
Зміна фракційного складу за довжиною волокон для сульфітної та сульфатної целюлоз представлена на рис. 3, з якого видно зростання в процесі розмелювання дрібної фракції (волокна довжиною менше 1 мм) та одночасне зниження великої фракції (понад 3 мм). Процес перерозподілу волокон по довжині зі зростанням ступеня помелу можна також вивчити за допомогою гістограм.