Механическая прочность и
деформационные свойства бумаги
Жесткость бумаги
Под жесткостью материалов обычно понимают их
сопротивляемость деформациям, возникающим под действием внешних сил и
нагрузок. Это определение, принятое в курсе сопротивления материалов для
сооружений и механизмов в отдельных их частях или в целом виде,
полностью применимо к листу бумаги или картона, а также к изделиям из
них: коробкам, чемоданам, гильзам, бумажной посуде и пр.
Лист бумаги, лежащий на двух опорах и обнаруживающий незначительную
стрелу прогиба, можно считать жестким. В противоположность этому бумага
в аналогичных условиях и при том же расстоянии между опорами, выявляющая
значительный прогиб, не считается жесткой и ее называют вялой. Не
следует, однако, смешивать указанное выше определение жесткости с
кажущейся жесткостью или жесткостью на ощупь, о которой судят по
совокупности восприятия звонкости при перелистывании, ощущению твердости
и прочим субъективно воспринимаемым признакам.
Иногда пишут, что в результате применения в бумаге минерального
наполнителя, а также каландрирования увеличивается ее мягкость. Это
нельзя признать правильным, так как в обоих случаях снижается
сжимаемость бумаги под действием нагрузок, т. е. повышается твердость
бумаги, а не мягкость. Обычно при этом снижается жесткость или
повышается вялость бумаги.
С увеличением межволоконных сил связи в бумаге жест-
кость ее в большинстве случаев повышается и,
наоборот, ослабление межволоконных сил связи уменьшает жесткость.
Действительно, при увлажнении бумаги водой, а также при введении
пластификаторов и ослаблении при этом межволоконных сил связи жесткость
бумаги снижается. Введение в бумажную массу крахмала,
карбоксиметилцеллюлозы, жидкого стекла и других веществ, увеличивающих
силы связи между волокнами, повышает жесткость бумаги. Одновременно
наблюдается и увеличение модуля упругости бумаги.
Из курса сопротивления материалов известно, что жесткость материала
характеризуется произведением модуля его упругости Е на момент инерции
I. Последний для листового материала пропорционален его толщине в
третьей степени. Очевидно, что при одной и той же массе 1 м2 рыхлая
бумага будет иметь большую толщину, а следовательно, и больший момент
инерции. Поэтому даже при некотором снижении величины модуля упругости
материала могут повыситься жесткость как самого материала, так и
изготовляемой из него тары. Это подтверждается результатами проведенных
автором промышленных выработок жесткой коробочной бумаги однослойного и
двухслойного отлива и испытаний ее у потребителей в пищевой
промышленности. При улучшении качества бумаги одновременно отпала
необходимость уплотнения ее пропуском через суперкаландр (поверхность
бумаги лучше выглаживать на лощильном цилиндре). Оказалась возможной
замена в композиции коробочной бумаги значительного количества целлюлозы
более дешевым полуфабрикатом — белой древесной массой.
Так как с увеличением массы 1 м2 бумаги увеличивается ее толщина,
очевидно, что одновременно повысится ее жесткость. С повышением степени
помола бумажной массы при постоянной массе 1 м2 уменьшается жесткость
бумаги за счет уменьшения ее толщины^ хотя при этом и наблюдается
тенденция К увеличению модуля упругости бумаги. С повышением удельного
давления при мокром прессовании бумаги снижается показатель жесткости
бумаги при изгибе вместе со снижением толщины бумаги. При этом
одновременно увеличиваются меж-волоконные силы связи и в той или в иной
степени увеличивается модуль упругости бумаги.
Увеличение плотности бумаги, не содержащей в композиции минерального
наполнителя, без снижения ее толщины повышает жесткость бумаги за счет
увеличения межволоконных сил связи. При сравнении образцов бумаги с
переменной массой
1 м2, т. е. таких образцов, в которых количество волокнистого материала
остается постоянным, а содержание наполнителя (зольность) изменяется,
наблюдается увеличение жесткости бумаги по мере увеличения содержания
наполнителя в бумаге, несмотря на снижение межволоконных сил связи. , В
данном случае увеличение жесткости бумаги связано с увеличением ее
толщины. Гипс как более грубодисперсный наполнитель при-водит к более
сильному увеличению жесткости на изгиб, чем каолин.
Для достижения максимальной жесткости бумаги (т. е. произведения Е1)
должно быть оптимальное соотношение между пределом увеличения ее
рыхлости и пределом возможного уменьшения межволоконных сил связи.
Другими словами, при постоянной массе 1 м2 бумаги для получения
максимальной жесткости желательно максимальное увеличение толщины бумаги
(за счет снижения ее плотности) при одновременном минимальном снижении
сил связи между волокнами.
На жесткость бумаги при изгибе оказывает также влияние ориентация
волокон в бумаге. Установлено, что повышение ориентации волокон в
машинном направлении приводит к значительному возрастанию жесткости при
изгибе именно в этом направлении. Жесткость бумаги при изгибе и
деформировании ее на верхнюю сторону больше по сравнению с
деформированием на сеточную сторону. Это важно учитывать при
изготовлении тары из бумаги.
Для некоторых видов бумаги (салфеточной, полотенечной, шелковки, нотной,
пергамента, чертежной прозрачной и др.) повышенная жесткость является
дефектом, для- других (коробочной, картонной и пр.), а также для многих
видов картона она желательна.