Влияние фибриллирования и укорочения волокон при размоле на характеристики прочности, деформативности и трещиностойкости целлюлозных материалов

УДК

676.054.6

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2018.2.109

Аннотация

Размол волокнистых материалов является одним из ключевых процессов обработки растительных волокон в целях придания им бумагообразующих свойств. При размоле растительных волокон в водной среде происходит как чисто механический (укорачивание и продольное расщепление волокон на фибриллы), так и коллоидно-химический (набухание и гидратация волокон) процессы. Цель работы – изучение влияния преимущественного укорачивающего или фибриллирующего размола, смоделированного в лабораторных условиях, на прочностные и деформационные характеристики волокнистых полуфабрикатов. Преимущественное укорочение волокон наблюдается при размоле массы низкой концентрации, в ходе которого на каждое волокно, попадающее между ножами размалывающего аппарата, приходится большее удельное давление. Для получения сильно фибриллированных волокон, напротив, следует подвергать размолу массу высокой концентрации, в процессе которого каждому волокну будет соответствовать меньшее удельное давление и большее взаимное трение волокон, способствующее их расчесыванию и расщеплению. В связи с этим моделирование укорачивающего или фибриллирующего размола при разной концентрации массы проведено в лабораторных условиях с использованием трех видов размалывающего оборудования – лабораторного ролла, мельниц Йокро и PFI. Объектами исследования служили образцы хвойной небеленой целлюлозы высокого и нормального выхода. Продемонстрирована возможность моделирования преимущественного укорачивания или фибриллирования волокон при лабораторном размоле, что позволяет целенаправленно изменять бумагообразующие свойства волокон и получать бумажный лист с заданными потребительскими свойствами.

Сведения об авторах

В.В. Гораздова¹, асп.
Е.В. Дернова¹, канд. техн. наук, доц.
Д.А. Дулькин², д-р. техн. наук, ген. директор
Е.О. Окулова¹, асп.
¹Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; е-mail: v.gorazdova@narfu.ru, e.dernova@narfu.ru, e.okulova@narfu.ru
²Управляющая компания «Объединенные бумажные фабрики», ул. Трудовая, д. 2, пос. Полотняный Завод, Дзержинский р-н, Калужская обл., Россия, 249844;
е-mail: dmdulkin@yandex.ru

Ключевые слова

размол, фибриллирование, укорачивание, целлюлоза высокого выхода, целлюлоза нормального выхода, прочность, деформативность, трещиностойкость

Источник финансирования

При выполнении исследований использовалось оборудование Инновационно-технологического центра «Современные технологии переработки биоресурсов Севера», Центра коллективного пользования научным оборудованием «Арктика» и лаборатории нанотехнологии кафедры теоретической физики Северного (Арктического) федерального университета им. М.В. Ломоносова, созданных при финансовой поддержке Минобрнауки России

Для цитирования

Гораздова В.В., Дернова Е.В., Дулькин Д.А., Окулова Е.О. Влияние фибриллирования и укорочения волокон при размоле на характеристики прочности, деформативности и трещиностойкости целлюлозных материалов // Лесн. журн. 2018. № 2. С. 109–121. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036. 2018.2.109

Литература

1. ГОСТ 13525.1–79. Полуфабрикаты волокнистые, бумага, картон. Метод определения прочности на разрыв и удлинение при растяжении. Взамен ГОСТ 13525.1–68; введ. 1980-07-01. М.: Стандартинформ, 2007. 5 с.
2. ГОСТ 13525.2–80. Полуфабрикаты волокнистые, бумага и картон. Метод определения прочности на излом при многократных перегибах. Взамен ГОСТ 13525.2–68; введ.1981-06-30. М.: Стандартинформ, 2007. 4 с.
3. ГОСТ 13525.8–86. Полуфабрикаты волокнистые, бумага и картон. Метод определения сопротивления продавливанию. Взамен ГОСТ 13525.8–78, ГОСТ 13648.7–784; введ. 1988-01-01. М.: Стандартинформ, 2007. 6 с.
4. ГОСТ 14363.4–89. Целлюлоза. Метод подготовки проб к физико-механическим испытаниям. Взамен ГОСТ 14363.4–79; введ. 1993-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1993. 14 с.
5. ГОСТ 27015–86. Бумага и картон. Методы определения толщины, плотности и удельного объема. Взамен ГОСТ 13199–67, ГОСТ 12432–77; введ. 1988-01-01. М.: Изд-во стандартов, 2002. 4 с.
6. ГОСТ Р ИСО 9895–2013. Бумага и картон. Определение сопротивления сжатию. Метод испытания на коротком расстоянии между зажимами. Введ. 2015-01-01. М.: Стандартинформ, 2014. 12 с.
7. Дулькин, Д.А., Спиридонов В.А., Комаров В.И., Блинова Л.А. Свойства целлюлозных волокон и их влияние на физико-механические характеристики бумаги и картона: моногр., под ред. В.И. Комарова. Архангельск: САФУ, 2011. 176 с.
8. Дьякова Е.В., Комаров В.И., Носкова Е.С. Устойчивость к инициированию и росту трещин в структуре целлюлозно-бумажных материалов // Лесн. журн. 2007. № 1. С. 126–141. (Изв. высш. учеб. заведений)
9. Иванов С.Н. Технология бумаги. 3-е изд. М.: Школа бумаги, 2006. 696 с.
10. Казаков Я.В., Комаров В.И. Программное обеспечение лабораторного испытательного комплекса для оценки деформативности и прочности целлюлозно-бумажных материалов. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. № 2001610526 от 10 мая 2001 г.
11. Карлссон Х. Гид по волокну. Анализ волокна и его применение в ЦБП: справочное руководство. Швеция: AB Lorentzen & Werrte, 2006. 118 с.
12. Кларк Дж. Технология целлюлозы (наука о целлюлозной массе и бумаге, подготовка массы, переработка ее на бумагу, методы испытаний). М.: Лесн. пром-сть, 1983. 456 с.
13. Комаров В.И., Казаков Я.В. Связь фундаментальных свойств (по Кларку) неразмолотой сульфатной небеленой целлюлозы с характеристиками деформативности и прочности // Лесн. журн. 1993. № 2-3. С. 112–116. (Изв. высш. учеб. заведений).
14. Комаров В.И., Казаков Я.В. Влияние размола на корреляцию фундаментальных свойств (по Кларку) сульфатной небеленой целлюлозы с характеристиками деформативности и прочности // Актуальные проблемы рационального использования природных и энергетических ресурсов Европейского Севера: сб. науч. тр. Архан-гельск: АЛТИ, 1994. С. 105–111.
15. Лумиайнен Д., Пузырев С.С., Чижов Г.И. Размол при низкой концентрации М.: Изд-во ЦИНТИхимнефтемаш, 1992. 23 с. (Целл.-бум. машиностроение: обзор. информ.).
16. Материалы компании «Advanced Fiber Technology» (AFT): информ. сообщение // 8-й Междунар. науч.-техн. конф. «Pap-For». СПб., 2004. 217 с.
17. Пузырев С.С., Коростелев С.А., Ковалева О.П. Размол при низкой концен-трации // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2006. № 5. С. 54–58.
18. ISO/TS 17958:2013. Paper and Board. Determination of Fracture Toughness. Con-stant Rate of Elongation Method. Technical Committee, Subcommittee SC 2, 2013. 16 p.
19. Mäkelä P., Fellers C. An Analytic Expression for Determination of Fracture Toughness of Paper Materials // Innventia Report. 2010. No. 54.
20. Mäkelä P., Nordhagen H., Gregersen Ø.W. Validation of Isotropic Deformation Theory of Plasticity for Fracture Mechanics Analysis of Paper Materials // Nordic Pulp Pa-per Res. J. 2009. No. 24. Pp. 388–394.
21. SCAN-P77-95. Papers and Boards. Fracture Toughness. Scandinavian Pulp, Pa-per and Board. Testing Committee. 8 p.
22. TAPPI Standard T 231 pm-96. Zero-Span Breaking Strength of Pulp (Dry Zero-Span Tensile). Test Method T 231 cm-07. Atlanta, USA: TAPPI Press, 1996.
23. TAPPI T Standard 273 pm-95. Wet Zero-Span Tensile Strength of Pulp. Atlanta, USA: TAPPI Press, 1995.
24. Varanasi S., Batchelor W.J. Rapid Preparation of Cellulose Nanofibre Sheet // Cellulose. 2013. Vol. 20, no. 1. Pp. 211‒215.

Поступила 24.10.17

Ссылка на английскую версию:

The Effect of Fiber Brushing and Shortening when Beating on the Strength, Deformation and Fracture Toughness Properties of Cellulosic Materials

UDC 676.054.6

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.2.109

The Effect of Fiber Brushing and Shortening when Beating on the Strength, Deformation and Fracture Toughness Properties of Cellulosic Materials

V.V. Gorazdova¹, Postgraduate Student
E.V. Dernova¹, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor
D.A. Dul'kin², Doctor of Engineering Sciences, General Director
E.O. Okulova¹, Postgraduate Student
¹Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; е-mail: v.gorazdova@narfu.ru, e.dernova@narfu.ru, e.okulova@narfu.ru
²United Paper Factories, ul. Trudovaya, 2, Polotnyanyy Zavod village, Dzerzhinskiy district, Kaluga region, 249844, Russian Federation; e-mail: dmdulkin@yandex.ru

Beating of fibrous materials is one of the key stages of plant fibers processing in order to obtain paper-forming properties. When beating plant fibers in an aqueous medium we can observe two main processes: a purely mechanical (fiber shortening and longitudinal splitting into fibrils) and colloid-chemical (fiber swelling and hydration). The goal of research is to study the effect of the preferential shortening or fibrillating beating simulated in laboratory conditions on the strength and deformation characteristics of fibrous semifinished products. A preferential shortening of fibers occurs when thin stock beating and each fiber entering between the knives of the beater has a higher specific pressure. To obtain highly fibrillated fibers, by contrast, thick stock should be subjected to beating, and each fiber comes under minimal specific pressure and a greater mutual frequency of fibers, which facilitates their combing and splitting. Simulation of shortening or fibrillating beating at different mass con-centration is conducted in laboratory conditions using three types of beaters ‒ laboratory beating engine, Jokro mills and PFI. The study subjects are the samples of coniferous un-bleached high-yield and average-yield pulp. The paper demonstrates the possibility of simu-lation of fiber preferential shortening or fibrillation under circumstances of laboratory beat-ing. This allows purposefully modifying papermaking characteristics of fibers and obtaining a paper sheet with desired application properties.

Keywords: beating, brushing, shortening, high-yield pulp, average-yield pulp, strength, de-formability, fracture toughness.

REFERENCES

1. GOST 13525.1–79. Polufabrikaty voloknistye, bumaga, karton. Metody opredele-niya prochnosti na razryv i udlinenie pri rastyazhenii [State Standard 13525.1–79. Fibre Semimanufactures, Paper and Board. Tensile Strength and Elongation Tests]. Moscow, Standartinform Publ., 2007. 5 p.
2. GOST 13525.2–80. Polufabrikaty voloknistye, bumaga i karton. Metod opredele-niya prochnosti na izlom pri mnogokratnykh peregibakh [State Standard 13525.2–80. Fibre Semimanufactures, Paper and Board. Method for Determination of Breaking Strength]. Moscow, Standartinform Publ., 2007. 4 p.
3. GOST 13525.8–86. Polufabrikaty voloknistye, bumaga i karton. Metod opredele-niya soprotivleniya prodavlivaniyu [State Standard 13525.8–86. Fibre Intermediate Prod-ucts, Paper and Board. Method for Determination of Resistance to Bursting]. Moscow, Standartinform Publ., 2007. 6 p.
4. GOST 14363.4–89. Tsellyuloza. Metod podgotovki prob k fiziko-mekhanicheskim ispytaniyam [State Standard 14363.4–89. Pulp. Preparation of Samples for Physical and Mechanical Tests]. Moscow, Standartinform Publ., 1993. 14 p.
5. GOST 27015–86. Bumaga i karton. Metody opredeleniya tolshchiny, plotnosti i udel'nogo ob"ema [State Standard 27015–86. Paper and Board. Methods for Determining Thickness, Density and Specific Volume]. Moscow, Standartinform Publ., 2002. 4 p.
6. GOST R ISO 9895–2013. Bumaga i karton. Opredelenie soprotivleniya szhatiyu. Metod ispytaniya na korotkom rasstoyanii mezhdu zazhimami [State Standard R ISO 9895–2013. Paper and Board. Compressive Strength. Short-Span Test]. Moscow, Standartinform Publ., 2014. 12 p.
7. Dul'kin D.A., Spiridonov V.A., Komarov V.I., Blinova L.A. Svoystva tsellyuloz-nykh volokon i ikh vliyanie na fiziko-mekhanicheskie kharakteristiki bumagi i kartona [Properties of Cellulose Fibers and Their Influence on the Physical and Mechanical Charac-teristics of Paper and Paperboard]. Ed. by V.I. Komarov. Arkhangelsk, NArFU Publ., 2011. 176 p. (In Russ.)
8. D'yakova E.V., Komarov V.I., Noskova E.S. Ustoychivost' k initsiirovaniyu i rostu treshchin v strukture tsellyulozno-bumazhnykh materialov [Stability to Crack Initiating and Growth in Structure of Pulp-and-paper Materials]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2007, no. 1, pp. 126–141.
9. Ivanov S.N. Tekhnologiya bumagi [Paper Technology]. Moscow, Shkola bumagi Publ., 2006. 696 p. (In Russ.)
10. Kazakov Ya.V., Komarov V.I. Programmnoe obespechenie laboratornogo ispytatel'nogo kompleksa dlya otsenki deformativnosti i prochnosti tsellyulozno-bumazhnykh materialov [The Software of the Laboratory Test Complex for the Deformability and Strength Assessment of Pulp-and-Paper Materials]. Certificate of the Computer Software Official Registration, no. 2001610526, 2001.
11. Karlsson H. Fiber Guide. Fiber Analysis and Process Applications in the Pulp and Paper Industry. Kista, Sweden, AB Lorentzen & Werrte, 2006. 120 p.
12. Clark J. d'A. Pulp Technology and Treatment for Paper. San Francisco, M. Freeman Publ., 1978. 751 p.
13. Komarov V.I., Kazakov Ya.V. Svyaz' fundamental'nykh svoystv (po Klarku) ne-razmolotoy sul'fatnoy nebelenoy tsellyulozy s kharakteristikami deformativnosti i prochnos-ti [Relationship of Fundamental Properties (According to Clark) of Unrefined Sulphate Un-bleached Cellulose with Deformation and Strength Properties]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 1993, no. 2-3, pp. 112–116.
14. Komarov V.I., Kazakov Ya.V. Vliyanie razmola na korrelyatsiyu fundamental'nykh svoystv (po Klarku) sul'fatnoy nebelenoy tsellyulozy s kharakteristikami deformativnosti i prochnosti [Influence of Beating on the Correlation of Fundamental Properties (According to Clark) of Sulphate Unbleached Pulp with Deformation and Strength Properties]. Aktual'nye problemy ratsional'nogo ispol'zovaniya prirodnykh i energeticheskikh resursov Evropeyskogo Severa [Actual Problems of Rational Use of Natural and Energy Resources of the European North]. Arkhangelsk, ASTU Publ., 1994, pp. 105–111. (In Russ.)
15. Lumiaynen D., Puzyrev S.S., Chizhov G.I. Razmol pri nizkoy kontsentratsii [Beating under Circumstances of Low Concentration]. Moscow, TsINTIkhimneftemash Publ., 1992. 23 p. (In Russ.)
16. Materialy kompanii «Advanced Fiber Technology» [Reports of “Advanced Fiber Technology”]. 8-ya Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. «Pap-For» [8th Intern. Sci. Techn. Conf. “Pap-For”]. Saint Petersburg, 2004. 217 p. (In Russ.)
17. Puzyrev S.S., Korostelev S.A., Kovaleva O.P. Razmol pri nizkoy kontsentratsii [Grinding under Circumstances of Low Concentration]. Tsellyuloza. Bumaga. Karton [Pulp. Paper. Board], 2006, no. 5, pp. 54–58.
18. ISO/TS 17958:2013. Paper and Board. Determination of Fracture Toughness. Constant Rate of Elongation Method. Technical Committee, Subcommittee SC 2, 2013. 16 p.
19. Mäkelä P., Fellers C. An Analytic Expression for Determination of Fracture Toughness of Paper Materials. Innventia Report, 2010, no. 54.
20. Mäkelä P., Nordhagen H., Gregersen Ø.W. Validation of Isotropic Deformation Theory of Plasticity for Fracture Mechanics Analysis of Paper Materials. Nordic Pulp Paper Res. J., 2009, no. 24, pp. 388–394.
21. SCAN-P77-95. Papers and Boards. Fracture Toughness. Scandinavian Pulp, Paper and Board. Testing Committee. 8 p.
22. TAPPI Standard T 231 pm-96. Zero-Span Breaking Strength of Pulp (Dry Zero-Span Tensile). Test Method T 231 cm-07. Atlanta, USA, TAPPI Press, 1996.
23. TAPPI T Standard 273 pm-95. Wet Zero-Span Tensile Strength of Pulp. Atlanta, USA, TAPPI Press, 1995.
24. Varanasi S., Batchelor W.J. Rapid Preparation of Cellulose Nanofibre Sheet. Cellulose, 2013, vol. 20, no. 1, pp. 211‒215.

Received on October 24, 2017

---

For citation: Gorazdova V.V., Dernova E.V., Dul'kin D.A., Okulova E.O. The Effect of Fiber Brushing and Shortening when Beating on the Strength, Deformation and Fracture Toughness Properties of Cellulosic Materials. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2018, no. 2, pp. 109–121. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.2.109