Моделирование композиции сепараторной бумаги из минерального и растительного сырья для повышения прочности и впитывающей способности

УДК

62-784.43

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2018.1.120

Аннотация

Исследовано влияние стеклянных волокон разных марок и мерсеризованной целлюлозы в композиции сепараторной бумаги для аппаратов охлаждения воздуха на прочность при растяжении и капиллярную впитываемость. На первом этапе проведена оценка изменения этих показателей при варьировании доли стеклянных волокон, отличающихся номинальным диаметром (0,1; 0,25; 0,4; 0,6 мкм). В лабораторных условиях получены одно-, двух-, трех- и четырехкомпонентные образцы. Содержание волокон в композиции варьировали в диапазоне от 0 до 100 % с шагом 20 %. Установлено, что уровень прочности всех полученных образцов низкий, не превышает 1,2 МПа. Показана возможность повышения прочности при растяжении путем снижения доли стеклянных волокон с номинальным диаметром 0,6 мкм. Для получения максимальной прочности доля волокон с номинальным диаметром более 0,4 мкм не должна превышать 20 %. Выявлена значимая корреляция между пределом прочности при растяжении и капиллярной впитываемостью образцов из стеклянных волокон независимо от их номинального диаметра. Максимальное повышение прочности при растяжении приводит к снижению на 30 % капиллярной впитываемости сепараторной бумаги. На втором этапе изучено влияние добавки мерсеризованной целлюлозы на изменение прочности и капиллярной впитываемости сепараторной бумаги. Выявлено поступательное повышение прочности сепараторной бумаги при добавке мерсеризованной целлюлозы в композицию стекловолокна номинальным диаметром 0,25 мкм. Например, добавка 20 % мерсеризованной целлюлозы приводит к росту прочности образцов в 2 раза при снижении капиллярной впитываемости на 30 %. Увеличение прочности при сохранении капиллярной впитываемости на требуемом уровне воз-можно при добавке мерсеризованной целлюлозы не более 10 %. Результат проведенных исследований позволяет направленно регулировать композицию по волокну для получения сепараторной бумаги с уровнем свойств, необходимым для изготовления испарительных элементов в аппаратах охлаждения воздуха.

Сведения об авторах

Н.В. Щербак¹, канд. техн. наук, доц.

Е.В. Дубовой², инж.

М.А. Лоренгель², асп.

А.С. Смолин², д-р техн. наук, проф.

¹Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: n.sisoeva@narfu.ru

²Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, ул. Ивана Черных, д. 4, Санкт-Петербург, Россия, 198095; e-mail: dubovoy.evgeniy@gmail.com, smolin@gturp.spb.ru

Ключевые слова

стеклянное волокно, сепараторная бумага, мерсеризованная целлюлоза, предел прочности при растяжении, капиллярная впитываемость

Для цитирования

Щербак Н.В., Дубовой Е.В., Лоренгель М.А., Смолин А.С. Моделирование композиции сепараторной бумаги из минерального и растительного сырья для повышения прочности и впитывающей способности // Лесн. журн. 2018. № 1. С. 120–129. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.1.120

Литература

1. Безлаковский А.И. Основы технологии бумагоподобных минерально-волокнистых композитов повышенной прочности: дис. … канд. техн. наук. Архангельск, 2009. 162 с.

2. Безлаковский А.И., Дубовый В.К. Связеобразование в минерально-волокнистых композитах повышенной прочности // Лесн. журн. 2009. № 6. С. 125–130. (Изв. высш. учеб. заведений).

3. Безлаковский А.И., Дубовый В.К., Сысоева Н.В., Коваленко В.В. Связеобразование в системе «минеральное волокно–минеральное связующее» // Материалы XIX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. Волгоград, 2011. С. 32.

4. ГОСТ 12602–93. Бумага и картон. Определение капиллярной впитываемости. Метод Клемма. Взамен ГОСТ 12602–67; введ. 01.01.1995. Минск: Изд-во стандартов, 1995. 7 с.

5. ГОСТ ИСО 1924-1–96. Бумага и картон. Определение прочности при растяжении. Ч. 1. Метод нагружения с постоянной скоростью. Взамен ГОСТ 13525.1–79; введ. 01.01.2000. Минск: Изд-во стандартов, 2000. 10 с.

6. Гурьев А.В., Казаков Я.В., Комаров В.И., Хованский В.В. Практикум по технологии бумаги / под ред. В.И. Комарова. Архангельск: АГТУ, 2001. 112 с.

7. Дубовой Е.В., Свиридов Е.Б., Щербак Н.В., Дубовый В.К. Энергосберегающая экологически безопасная технология охлаждения воздуха аппаратами испарительного типа. СПб.: Политехн. ун-т, 2017. 286 с.

8. Дубовый В.К. Стеклянные волокна. Свойства и применение. СПб.: Нестор, 2003. 130 с.

9. Дубовый В.К. Бумагоподобные композиционные материалы на основе минеральных волокон: дис. … д-ра техн. наук. СПб., 2006. 370 с.

10. Дубовый В.К., Казаков Я.В. Использование сульфата алюминия для повышения деформационных характеристик бумагоподобных материалов из минеральных волокон // Лесн. журн. 2005. № 1-2. С. 188–193. (Изв. высш. учеб. заведений).

11. Дубовый В.К., Чижов Г.И. Силы связи в бумаге из растительных и минеральных волокон // Лесн. журн. 2005. № 4. С. 116–124. (Изв. высш. учеб. заведений).

12. Коваленко В.В. Совершенствование технологии получения бумагоподобных материалов фильтровального назначения на основе стеклянных волокон: дис. … канд. техн. наук. Архангельск, 2014. 131 с.

13. Смолин А.С., Щербак Н.В., Лоренгель М.А., Дубовой Е.В. Оценка эффективности очистки воздуха минеральноволокнистыми сепараторными бумагами // Лесн. журн. 2017. № 6. С. 126–134. (Изв. высш. учеб. заведений).

14. Хованский В.В., Дубовый В.К., Иваненко А.Д. Влияние алюмосиликатного связующего на прочность бумагоподобных композитов из каолиновых волокон // Химия и технология бумаги: межвуз. сб. науч. тр. СПб., 2001. С. 12–17.

15. Air Conditioning // Eberspächer: the Official Site. Available at: https://www. eberspaecher.com/en/ products/air-conditioning.html (дата обращения: 02.09.17).

16. Andrew Industries Limited. Available at: http://www.andrewindustries.com/ company/history.cfm (дата обращения: 02.09.17).

17. DIN EN ISO 12625-8:2011. Tissue-Papier und Tissue-Produkte. Teil 8: Zeit für die Wasseraufnahme und Wasseraufnahmekapazität, Korbeintauch-Prüfverfahren [DIN EN ISO 12625-8:2011. Tissue Paper and Tissue Products. Part 8: Water-Absorption Time and Water-Absorption Capacity, Basket-Immersion Test Method (ISO 12625-8:2010)]. Germany: DIN Publ., 2011. 15 p.

18. Suhr M., Klein G., Kourti I., Gonzalo M.R., Santonja G.G., Roudier S., Sancho L.D. Best Available Techniques (BAT). Reference Document for the Production of Pulp, Paper and Board. Industrial Emissions Directive 2010/75/EU (Integrated Pollution Prevention and Control) // JRC Science and Policy Reports. Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2015. 906 p.

19. World’s First Personal Air Cooler // Evapolar: the Official Site. Available at: https://evapolar.com (дата обращения: 02.09.17).

20. 400-LS Mineral Fiber Paper. Available at: http:// www.morganthermalceramics. com/media/2227/400-ls_mineral_fiber_paper.pdf (дата обращения: 02.09.17).

Поступила 05.10.17

Ссылка на английскую версию:

Simulation of Separator Paper Composition from Mineral and Vegetable Raw Material for Hardening and Absorbency

UDC 62-784.43

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.1.120

Simulation of Separator Paper Composition from Mineral and Vegetable Raw Material for Hardening and Absorbency

N.V. Shcherbak¹, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor

Е.V. Dybovoy², Engineer

M.A. Lorengel’², Postgraduate Student

A.S. Smolin², Doctor of Engineering Sciences, Professor

¹Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: n.sisoeva@narfu.ru

²Saint Petersburg State University of Technology and Design, ul. Ivana Chernykh, 4, Saint Petersburg, 198095, Russian Federation; e-mail: dubovoy.evgeniy@gmail.com, smolin@gturp.spb.ru

The paper discusses the effect of glass fibers of different grades and mercerized pulp in the separator paper composition for air cooling devices on tensile strength and capillary absorption. At the first stage, we assess the variation of these parameters with a change in the proportion of glass fibers differing in nominal diameter (0.1; 0.25; 0.4; 0.6 μm). One-, two-, three- and four-component samples are obtained in laboratory conditions. The fiber content in the composition varies from 0 to 100 % in 20 % increments. The strength level of all samples obtained is low, does not exceed 1.2 MPa. The possibility of increasing the tensile strength by reducing the proportion of glass fibers with a nominal diameter of 0.6 μm is demonstrated. To obtain maximum strength, the proportion of fibers with a nominal diameter greater than 0.4 μm should not exceed 20 %. We establish a significant correlation between the tensile strength and the capillary rise of glass fiber samples, regardless of their nominal diameter. The maximum increase in tensile strength leads to a 30 % reduction in the separator paper capillary rise. In the second stage, the influence of mercerized pulp additive on the strength and capillary rise of separator paper is studied. We observe a gradual increase in the strength of separator paper when adding mercerized pulp to a glass fiber composition with a nominal diameter of 0.25 μm. For example, a 20 % addition of mercerized pulp leads to an increase in the strength of the samples by a factor of 2 with a drop in capillary rise by 30 %. The increase in strength while maintaining the capillary rise at the required level is possible with the addition of mercerized pulp not more than 10 %. The result of the studies allows us to regulate the fiber furnish to obtain separator paper with the required level of properties necessary for the manufacture of evaporative elements used in air cooling units.

Keywords: glass fiber, separator paper, mercerized pulp, tensile strength, paper capillary rise.

REFERENCES

1. Bezlakovskiy A.I. Osnovy tekhnologii bumagopodobnykh mineral'no-voloknistykh kompozitov povyshennoy prochnosti: dis. … kand. tekhn. nauk [Fundamentals of Technology of High-Strength Paper-Like Mineral and Fiber Composites: Cand. Eng. Sci. Diss.]. Arkhangelsk, ASTU Publ., 2009. 162 p.

2. Bezlakovskiy A.I., Dubovyy V.K. Svyazeobrazovanie v mineral'no-voloknistykh kompozitakh povyshennoy prochnosti [Bond-formation in Mineral-fiber Composites of High Strength]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2009, no. 6, pp. 125–130.

3. Bezlakovskiy A.I., Dubovyy V.K., Sysoeva N.V., Kovalenko V.V. Svyazeobrazovanie v sisteme «mineral'noe volokno – mineral'noe svyazuyushchee» [Bond-formation in the System “Mineral Fiber ‒ Mineral Binder”]. Materialy XIX Mendeleevskogo s"ezda po obshchey i prikladnoy khimii [Proc. 19th Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry]. Volgograd, 2011, p. 32. (In Russ.)

4. GOST 12602–93. Bumaga i karton. Opredelenie kapillyarnoy vpityvaemosti. Metod Klemma [State Standard 12602–93. Paper and Board. Determination of Capillary Rise. Klemm Method]. Minsk, Izdatel'stvo standartov Publ., 1995. 7 p.

5. GOST ISO 1924-1–96. Bumaga i karton. Opredelenie prochnosti pri rastyazhenii. Ch. 1. Metod nagruzheniya s postoyannoy skorost'yu [State Standard ISO 1924-1–96. Paper and Board. Determination of Tensile Properties. Part 1. Constant Rate of Loading Method]. Minsk, Izdatel'stvo standartov Publ., 2000. 10 p.

6. Gur'ev A.V., Kazakov Ya.V., Komarov V.I., Khovanskiy V.V. Praktikum po tekhnologii bumagi [Workshop on Paper Technology]. Arkhangelsk, ASTU Publ., 2001. 112 p. (In Russ.)

7. Dubovoy E.V., Sviridov E.B., Shcherbak N.V., Dubovyy V.K. Energosberegayushchaya ekologicheski bezopasnaya tekhnologiya okhlazhdeniya vozdukha apparatami isparitel'nogo tipa [Energy-Saving Environmentally Friendly Technology for Air Cooling with Evaporation Type Devices]. Saint Petersburg, SPbPU Publ., 2017. 286 p. (In Russ.)

8. Dubovyy V.K. Steklyannye volokna. Svoystva i primenenie [Glass Fibers. Properties and Application]. Saint Petersburg, Nestor Publ., 2003. 130 p. (In Russ.)

9. Dubovyy V.K. Bumagopodobnye kompozitsionnye materialy na osnove mineral'nykh volokon: dis. … d-ra tekhn. nauk [Paperlike Composites Based on Mineral Fibers: Dr. Eng. Sci. Diss.]. Saint Petersburg, 2006. 370 p.

10. Dubovyy V.K., Kazakov Ya.V. Ispol'zovanie sul'fata alyuminiya dlya povysheniya deformatsionnykh kharakteristik bumagopodobnykh materialov iz mineral'nykh volokon [Application of Aluminum Sulfate for Increasing Deformational Characteristics of Paper-like Materials of the Mineral Fibers]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2005, no. 1-2, pp. 188–193.

11. Dubovyy V.K., Chizhov G.I. Sily svyazi v bumage iz rastitel'nykh i mineral'nykh volokon [Bonding Force in Paper Made of Plant and Mineral Fibers]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2005, no. 4, pp. 116–124.

12. Kovalenko V.V. Sovershenstvovanie tekhnologii polucheniya bumagopodobnykh materialov fil'troval'nogo naznacheniya na osnove steklyannykh volokon: dis. … kand. tekhn. nauk [Technological Advancement for Producing Paper-like Materials of Filtering Purpose Based on Glass Fibers: Cand. Eng. Sci. Diss.]. Arkhangelsk, 2014. 131 p.

13. Smolin A.S., Shcherbak N.V., Lorengel' M.A., Dubovoy E.V. Otsenka effektivnosti ochistki vozdukha mineral'novoloknistymi separatornymi bumagami [Estimating Efficiency of Air Cleaning by Mineral Fiber Separator Papers]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2017, no. 6, pp. 126–134.

14. Khovanskiy V.V., Dubovyy V.K., Ivanenko A.D. Vliyanie alyumosilikatnogo svyazuyushchego na prochnost' bumagopodobnykh kompozitov iz kaolinovykh volokon [Influence of Aluminosilicate Binder on the Strength of Paper-like Composites from Kaolin Fibers]. Khimiya i tekhnologiya bumagi: mezhvuz. sb. nauch. tr. [Chemistry and Technology of Paper]. Saint Petersburg, 2001, pp. 12–17.

15. Air Conditioning. Eberspächer. The Official Site. Available at: https://www.eberspaecher.com/en/ products/air-conditioning.html.

16. Andrew Industries Limited. Available at: http://www.andrewindustries.com/ company/history.cfm.

17. DIN EN ISO 12625-8:2011. Tissue-Papier und Tissue-Produkte. Teil 8: Zeit für die Wasseraufnahme und Wasseraufnahmekapazität, Korbeintauch-Prüfverfahren [DIN EN ISO 12625-8:2011. Tissue Paper and Tissue Products. Part 8: Water-Absorption Time and Water-Absorption Capacity, Basket-Immersion Test Method (ISO 12625-8:2010)]. Germany, DIN Publ., 2011. 15 p.

18. Suhr M., Klein G., Kourti I., Gonzalo M.R., Santonja G.G., Roudier S., Sancho L.D. Best Available Techniques (BAT). Reference Document for the Production of Pulp, Paper and Board. Industrial Emissions Directive 2010/75/EU (Integrated Pollution Prevention and Control). JRC Science and Policy Reports. Luxembourg, Publications Office of the European Union, 2015. 906 p.

19. World’s First Personal Air Cooler. Evapolar. The Official Site. Available at: https://evapolar.com.

20. 400-LS Mineral Fiber Paper. Available at: http:// www.morganthermal ceramics.com/media/2227/400-ls_mineral_fiber_paper.pdf.

Received on October 05, 2017

---

For citation: Shcherbak N.V., Dybovoy Е.V., Lorengel’ M.A., Smolin A.S. Simulation of Separator Paper Composition from Mineral and Vegetable Raw Material for Hardening and Absorbency. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2018, no. 1, pp. 120–129. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.1.120