Механическая прочность и
деформационные свойства бумаги
Прочность растительных волокон, их длина и
межволоконные связи бумаги
Абсолютные значения прочности на разрыв
различных видов растительных волокон характеризуются следующими цифрами.
Волокна хлопка выдерживают усилие до 412 МПа, льна — до 745 МПа, пеньки
— до 814 МПа, хвойной сульфитной целлюлозы— до 520 МПа. Интересно
отметить, что абсолютная прочность на разрыв чугуна составляет всего
лишь до 314 МПа, сварочного железа —до 392 МПа (40) и стали (в
зависимости от содержания в ней углерода и режима термической обработки)
— от 490 до 1961 МПа. Таким образом, растительные волокна обладают
весьма высокой механической прочностью, не уступающей в большинстве
случаев прочности металла.
В бумажной промышленности о прочности растительных волокон косвенно
судят по так называемой нулевой разрывной длине, т. е. разрывной длине
бумаги, полученной в результате ее определения при нулевом расстоянии
между зажимами разрывной машины. Если прочность на разрыв растительных
волокон и некоторых металлов выразить в единицах, принятых в бумажной
промышленности (километр разрывной длины), то разрывная длина волокон
хлопка достигает 28 км, сульфатной целлюлозы — 46, льна — 52, пеньки—55,
а манильской пеньки— 79 км, в то время как максимальная разрывная длина
чугуна составляет 4,4 км, сварочного железа — 5,1 и стали — 25,4 км.
Как видно из сказанного, растительные волокна являются прекрасным
строительным материалом для изготовления бумаги. Возникают вопросы:
почему лист бумаги, изготовленный из растительных волокон, значительно
менее прочен, чем металл, и почему прочность бумаги намного ниже
прочности тех волокон, из которых бумага изготовлена?
Прочность бумажного листа зависит не только от прочности исходных
волокон, но и, как было указано выше, от прочности связи между ними.
Полоска бумаги, укрепленная в зажимах разрывной машины, при испытании
разрывается по слабому месту. Этим слабым местом в большинстве случаев
являются не сами волокна, а связи между ними. При этом наблюдается
вытаскивание волокон из толщи листа или, вернее, растаскивание их по обе
стороны от места разрыва. Волокна скользят одно относительно другого,
рвутся связи между ними, и только часть волокон в поперечном сечении
разрывной полоски бумаги претерпевает разрыв.
Чем прочнее межволоконные силы связи, тем относительно большее
количество волокон, находящихся в напряженном состоянии, окажется
разорванным в плоскости разрыва полоски бумаги. Именно этим объясняется
тот факт, что при испытании бумаги на разрыв с увеличением степени
помола бумажной массы возрастает количество разорванных волокон в
бумаге, изготовленной из этой массы. Дело в том, что в результате
процесса размола растительных волокон силы связи между ними в готовой
бумаге увеличиваются, а прочность самих волокон, определяемая по нулевой
разрывной длине, снижается.
При изучении плоскости разрыва отливок бумаги, изготовленных из
неразмолотых волокон, установлено, что разрыв наблюдался примерно только
у 1/з всех волокон, так как возникающие при этом напряжения нарушают в
основном относительно слабые силы связи. В плоскости же разрыва отливок
бумаги, изготовленных из размолотой целлюлозы, число разорванных волокон
достигло 3/4 от общего количества волокон, находящихся в поперечном
сечении испытуемой полоски бумаги. Это свидетельствует о том, что при
испытании бумаги на разрыв с увеличением межволоконных связей возрастает
роль влияния на прочность бумаги прочности самих волокон, из которых она
изготовлена. Чем больше на волокнах трещин, тем вероятнее разрыв волокон
из-за возникающих у этих трещин перенапряжений, величина которых может
превысить среднее напряжение в бумаге. Этим объясняется факт
относительно большего разрыва в бумаге волокон сульфитной целлюлозы по
сравнению с разрывом при всех прочих равных условиях волокон сульфатной
целлюлозы.
Искусственное ослабление в бумаге межволоконных связей путем введения в
нее некоторых смачивателей приводит при определении сопротивления бумаги
разрыву к уменьшению количества разорванных при этом волокон. Механизм
разрыва бумаги, подвергаемой натяжению, можно себе представить как
происходящий в две стадии. В первой стадии идет медленное разрушение
межволоконных связей без разрыва волокон, а во второй—быстрый разрыв
волокон и связей вдоль конечной зоны разрушения структуры бумаги.
Прочность исходных волокон оказывает влияние на основные показатели
механической прочности бумаги (особенно на сопротивление бумаги
раздиранию), а также существенно влияет на сопротивления бумаги излому и
продавливанию, на удлинение бумаги до разрыва. Этот фактор воздействует
также, хотя и в несколько меньшей степени, на сопротивление бумаги
разрыву.
Вместе с тем бумажный лист, изготовленный обычным образом, должен
состоять из гетерогенных волокон, т. е. в нем должно быть некоторое
количество мелких волокон, заполняющих пространства между длинными, что
придает бумаге большую однородность. В однородной бумаге, содержащей в
композиции-наряду с длинными волокнами хорошо разработанные мелкие,
наблюдается известное повышение общей площади, на которой между
волокнами устанавливаются связи, что и проявляется в повышении
механической прочности такой бумаги. Опытным путем было показано, что
бумага из размолотой целлюлозы, не фракционированной по величине
волокон, обладает большей механической прочностью по сопротивлениям
разрыву и продавливанию, а также большей плотностью по сравнению с
бумагой, изготовленной из отдельных фракций той же размолотой целлюлозы.
Средняя степень полимеризации целлюлозы и
фракционный состав по степени полимеризации являются важными
показателями, характеризующими длину цепочек целлюлозы и, следовательно,
прочность растительных волокон. Вязкость целлюлозы — мера ее степени
полимеризации.. Величина вязкости в готовой целлюлозе дает возможность в
какой-то степени судить о прочности ее волокон. Чем больше в целлюлозе
высокомолекулярной фракции, тем выше и механическая прочность ее волокон
и вместе с тем они труднее поддаются размолу. Средняя степень
полимеризации сульфатной целлюлозы выше, чем сульфитной, что является
также одной из причин значительной прочности волокон сульфатной
целлюлозы и большей трудности ее размола по сравнению с сульфитной.
Точно так же и гемицеллюлозы в сульфатной целлюлозе более
высокополимерны, чем гемицеллюлозы в сульфитной целлюлозе.
Из сказанного выше ясно, что прочность бумаги существенно меньше
прочности волокон, из которых бумага изготовлена, так как слабым в
бумаге является не средняя прочность исходных волокон, а прочность
связей волокон между собой. Наличие в бумаге волокон с повреждениями в
виде трещин, неоднородностей структуры и т. д. способствует тому, что
могут возникнуть приводящие к разрыву полотна опасные местные
перенапряжения, превосходящие средние напряжения в бумажном полотне.
Вопрос о природе сил связи между волокнами достаточно подробно изложен в
§ 7 при рассмотрении современной теории процесса размола растительных
волокон. Здесь лишь напомним, что межволоконные силы связи в основном
характеризуются водородными мостиками, силами ван дер Ваальса и силами
трения между волокнами. Соотношение между этими силами связи различно в
зависимости от степени разработки волокон в процессе их размола, от
природы исходных волокон, от введения в композицию бумаги различных
добавок. Например, известно, что в отливках бумаги из хорошо размолотой
целлюлозы водородная связь обеспечивает примерно 75 % прочности от всех
связей между волокнами, в то время как в отливках бумаги из той же
целлюлозы, не подвергнутой размолу, на долю сил трения между
сопряженными поверхностями волокон приходится около 80 % от суммы всех
связей.
Силы связи между волокнами можно увеличить введением соответствующих
связующих в бумажную массу или в готовую бумагу путем ее поверхностного
покрытия или пропитки. Такими связующими могут быть, например, животный
клей, крахмал, карбоксиметилцеллюлоза, некоторые синтетические смолы и
материалы. Однако парафинирование бумаги, пропитка ее маслом, введение в
композицию немодифицированных минеральных наполнителей ослабляют связи
между волокнами.
Значительно увеличить механическую прочность бумаги можно введением в
бумажную массу синтетических волокон при
использовании соответствующих связующих. Увеличение
прочности бумаги при этом связано с применением связующих, повышающих
силы сцепления между волокнами, а также с использованием при этом более
длинных и более прочных волокон.