Механическая прочность и деформационные свойства бумаги
Сопротивление бумаги излому
Сопротивление излому. Показатель сопротивления бумаги излому - один из существенных показателей, характеризующих механическую прочность бумаги. Он зависит от длины волокон, из которых образована бумага, их прочности, гибкости и сил связи между волокнами. Поэтому наиболее высоким сопротивлением излому отличается бумага, состоящая из длинных, прочных, гибких и прочно связанных между собой волокон (некоторые виды бумаги из синтетических волокон). Из тряпичных волокон для изготовления бумаги с высоким сопротивлением излому наиболее пригодны льняные волокна. Содержание в бумаге древесной массы, лиственной целлюлозы и облагороженной хвойной целлюлозы приводит к снижению показателя сопротивления излому. Волокна сульфатной хвойной целлюлозы дают возможность получить бумагу более прочную по сопротивлению излому, чем волокна сульфитной хвойной целлюлозы.
При чрезмерном увеличении степени помола бумажной массы на показатель сопротивления изготовляемой бумаги излому одновременно в отрицательном направлении действуют два фактора: повышение хрупкости материала и снижение средней длины волокон. При значительном увеличении толщины и массы 1 м2 бумаги (картона) также наблюдается резкое снижение сопротивления излому указанных материалов из-за повышения при этом жесткости и возникновения больших растягивающих напряжений при изломе в поверхностном слое толстого материала по сравнению с тонким.
Введение в бумажную массу немодифицированного минерального наполнителя неизбежно ведет к снижению сопротивления излому изготовляемой бумаги из-за снижения при этом сил связи между волокнами и, возможно, из-за перетирания волокон при многократных изломах бумаги о неровные поверхности частиц наполнителя.
Влияние влажности бумаги на ее сопротивление излому неоднозначно. С увлажнением бумаги силы связи между волокнами уменьшаются, а гибкость бумаги (вследствие набухания волокон) увеличивается. Таким образом, эти факторы влияют на сопротивление бумаги излому в противоположных направлениях. Увеличение относительной влажности окружающего воздуха (следовательно, и влажности бумаги) способствует увеличению сопротивления излому у прочной бумаги и снижению - у слабой бумаги (например, промокательной).
Прочная бумага при увлажнении наряду с увеличением гибкости волокон сохраняет достаточно высокую величину сил
связи между ними, и результирующая этих влияний способствует росту сопротивления бумаги излому, выражаемым числом двойных перегибов бумаги до ее разрыва. При выдерживании такой первоначально прочной бумаги в воде, т. е. в условиях, когда силы между волокнами почти полностью разрушены, она не сможет обнаружить заметное сопротивление излому.
В бумаге со слабо развитыми силами связи между волокнами (фильтровальной, промокательной и т. п.) эти связи настолько уменьшаются при увлажнении бумаги, что положительное влияние роста гибкости волокон и бумаги в целом уже не может преобладать над отрицательным влиянием малой величины сил связи между волокнами, в результате число двойных перегибов при этом заметно уменьшается.
С. Н. Ивановым и Л. Н. Лаптевым установлено, что критическая величина сил связи между волокнами, составляет 490- 588 кПа и дальнейшее снижение ее при увлажнении вызывает уменьшение показателя сопротивления бумаги излому.
Сопротивление бумаги продавливанию
Этот показатель качества бумаги нельзя отнести к числу основных. Он может быть важным для некоторых видов упаковочно-оберточной бумаги, для которых в отдельных случаях должен быть предусмотрен также показатель сопротивления продавливанию во влажном состоянии.
Сопротивление продавливанию является сложной функцией сопротивления разрыву и удлинения бумаги до разрыва. Экспериментально установлено, что рассматриваемый показатель прочности бумаги увеличивается с повышением’ абсолютных; значений показателей ее разрывного груза и удлинения при разрыве и когда отношение удлинения бумаги в машинном направлении к ее удлинению в поперечном направлении приближается к единице.
Бумага, изготовленная из длинных волокон, отличается большей величиной сопротивления продавливанию. С увеличением степени помола бумажной массы в бумаге растут силы связи между волокнами. Одновременно увеличивается и сопротивление продавливанию. Однако чрезмерно высокая степень помола бумажной массы снижает сопротивление продавливанию, что связано уже с заметным укорачиванием волокон и снижением степени удлинения бумаги до разрыва.
С увлажнением бумаги ее разрывной груз уменьшается из-за ослабления межволоконных сил связи, но одновременно увеличивается удлинение бумаги.
Таким образом, для получения максимального значения сопротивления продавливанию влажность бумаги должна быть, оптимальной, при которой нет сильного ослабления межволоконных связей и в то же время наблюдается достаточно высокая степень удлинения бумаги. Такая влажность бумаги равна примерно 8-9%.
Постоянное расширение областей применения гофрокартонной упаковки приводит к появлению новых и более жёстких требований к качеству гофрокартона. Повышенное сопротивление сжатию, хорошее сопротивление изгибу, хорошие печатные свойства, повышенная влагостойкость - часть из таких требований.
Оптимизация свойств упаковки в соответствии с требованиями рынка - одна из насущных задач производителя. Ясно, что оптимизировать свойства при минимизации затрат можно только при отличном знании свойств как самого гофрокартона, так и материалов, из которых он производится. Если учесть, что затраты на исходные материалы могут составлять 50 и более процентов от всех затрат гофрокартонной фабрики, то станет очевидно, что даже небольшая экономия на материалах даст значительный потенциал прибыли.
Контроль свойств поступающих на предприятие картона для плоских слоёв и бумаги для гофрирования часто рассматривают как способ проверить соответствие фактических данных спецификациям поставщика. Однако знание параметров исходных материалов оказывается полезным для расчёта теоретически достижимых показателей гофрокартона (сопротивления торцевому сжатию, сопротивления продавливанию).
Сопротивление гофрокартона торцевому сжатию (ECT = edge crush test) может быть рассчитано по эмпирическим формулам:
ECT=K 1 x (RCT 1L +K 2 x RCT Fl +RCT 2L) (1)
ECT = K 1 x (SCT 1L +K 2 x SCT Fl +SCT 2L) (2),
Где K 1 - константа, определяемая эмпирически для каждого отдельного производства, и находящаяся обычно в пределах 1,5-1,2 в уравнении (1), и близкая к 1 в уравнении (2).
RCT - сопротивление сжатию кольца (L - для картона для плоских слоёв, Fl - бумаги для гофрирования); вместо K 2 x RCT Fl в формулу (1) можно подставить значение ССТ (сопротивление торцевому сжатию гофрированного образца).
SCT - величина сопротивления сжатию на коротком расстоянии
K 2 - фактор гофрирования (конкретная величина, определяемая гофрирующими валами, обычно сообщается поставщиком валов).
Сопротивление торцевому сжатию гофрокартона измеряется в лаборатории предприятия, и затем можно провести сравнение расчётных и средних практических величин за определённый период, и выяснить, насколько полно используются возможности исходного сырья. При нормальной работе гофроагрегата практическая величина сопротивления сжатию по торцу составляет от 90% до 95% от расчётной. Когда разница между расчётными и практическими значениями превышает 10%, необходимо устранить причину снижения прочности, которая, как правило, заключается в неоптимальной работе гофроагрегата.
Конечно, только использование точных приборов, у которых результат измерения не зависит от оператора, даёт уверенность в правильности полученных данных. Приборы фирмы Лорентцен и Веттр обеспечивают получение стабильных и точных результатов измерения различных показателей бумаги, картона и гофрокартона при практически полном исключении ошибок оператора. Это достигается за счёт автоматизации процесса измерения.
Так, прибор для определения сопротивления сжатию код 248 (см. каталог), сам определяет момент разрушения образца, прекращает измерение и передаёт данные в компьютер и на свой дисплей. На данном приборе можно выполнять все виды измерений сопротивления сжатию - по кольцу, сопротивление гофрированного образца по торцу, сопротивление плоскому сжатию гофрированного образца и гофрокартона, а также сопротивление гофрокартона сжатию по торцу.
Для получения точных результатов необходимо качественно подготовить образец для испытания - кромки должны быть идеально ровными и взаимнопараллельными. Для картона для плоских слоев и бумаги удобно использовать штамп для вырубки полосок код 108 (см. каталог),
образцы гофрокартона для испытания на сжатие по торцу используют пневматический нож код 008 (см. каталог), для круглых образцов с точно определённой площадью - круговой резак код 123 (см. каталог).
В российских стандартах до сих пор показатель прочности при сжатии кольца является одним из важнейших для картона для плоских слоёв. Метод прост, и одним из его достоинств является возможность проведения испытаний на том же приборе, на котором проводятся и остальные измерения сопротивления сжатию.
Однако для образцов с низкой массой квадратного метра разрушение образца может при испытании по кольцу произойти за счёт изгиба, а не за счёт сжатия. Более точным методом является измерение сопротивлению сжатию на коротком расстоянии, когда изгиб испытуемого образца исключён. Это метод (метод SCT) принят в мире и внесён во многие европейские стандарты. В России такие измерения проводят наиболее передовые предприятия, которые стремятся знать даже те свойства своих продуктов, которые не предусмотрены стандартами. Измерения проводятся на специально разработанном приборе L&W код 152 (см. каталог). По методу SCT можно измерять прочность при сжатии не только картонов, но и бумаги для гофрирования, и прямо подставлять найденные значения в расчётную формулу (2). При производстве бумаги на экспорт потребители почти всегда требуют указывать значения SCT.
Разумеется, потребителя гофрокартонной упаковки интересуют не отдельно взятые характеристики картона, а прочность самой коробки. С точки зрения производителя упаковки прочность короба должна быть необходима и достаточна, а затраты на исходные материалы - минимизированы. Следовательно, в каждом конкретном случае имеет смысл рассчитать оптимальную композицию гофрокарона (массу квадратного метра по слоям, тип гофры, вид картона или бумаги - из новой целлюлозы или из макулатуры).
Существует несколько вариантов формулы Мак-Ки, где для расчёта прочности короба при сжатии используются различные показатели:
BCT = K 2 x (ECT) 0.75 x (T) 0,25 x Z 0.5 (3),
Где BCT - прочность короба при сжатии, Н
К 2 - постоянная (определяется эмпирически)
ECT - величина сопротивления при сжатии по торцу, кН/м
Z- периметр короба, м
Т- толщина гофрокартона, м
Мой опыт работы в отделе качества современного гофрокартонного предприятия показал, что формула (3) при корректном выборе коэффициента дает надежный результат, при этом сравнение расчётных значений ВСТ (по формуле 3) и этой же величины, определённой с помощью пресса для испытания коробов, показало хорошую корреляцию результатов.
Работа с приборами фирмы L&W позволяет значительно сэкономить время сотрудников отдела качества, поскольку все результаты измерений автоматически заносятся в компьютер, данные по каждому образцу программа сама подготавливает в виде отчета с расчётом средних значений, а база данных может быть экспортирована в любую программу Windows для дальнейшей обработки. В программу внесены все расчётные формулы, так что прочность короба при сжатии рассчитывается сразу при подготовке отчёта.
Алгоритм действий отдела качества по выбору оптимальных композиций для производства гофрокартона и одновременной оценки качества работы гофроагрегата и машин конвертации может выглядеть так:
Входной контроль материалов (прочность при сжатии на коротком расстоянии, прочность при сжатии кольца, прочность при сжатии гофрированных образцов, масса квадратного метра, толщина, водопоглощение, влажность, сопротивление продавливанию и другие возможные измерения)Текущий контроль - Накопление базы данных по свойствам производимого гофрокартона (сопротивление торцевому и плоскостному сжатию, сопротивление продавливанию, жёсткость при изгибе, толщина, масса квадратного метра). В базе данных рекомендуется подразделять картон не только в зависимости от типа гофры и массы квадратного метра его составляющих, но и с учётом того, какое сырье использовано (крафлайнер или тестлайнер, гофра полухимическая или макулатурная). По каждому виду картона рассчитываем средние показатели за месяц и за квартал.
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЕ СТАНДАРТЫ
БУМАГА И КАРТОН
МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ
ГОСТ 13525.8-86
МОСКВА - 1999
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
Дата введения 01.01.88
Настоящий стандарт распространяется на волокнистые полуфабрикаты, бумагу и картон, в том числе гофрированный, и устанавливает гидравлический метод определения сопротивления продавливанию.
Метод заключается в создании плавно нарастающего гидравлического давления, действующего через резиновую диафрагму на поверхность одной стороны зажатого по кольцу образца, и определении значения давления, при котором образец разрушается.
1. ОТБОР ПРОБ
1.1. Отбор проб древесной массы - по ГОСТ 16489 .
1.2. Отбор проб целлюлозы - по ГОСТ 7004 .
1.3. Отбор проб бумаги и картона - по ГОСТ 8047 .
2. АППАРАТУРА
2.1. Для испытания должен применяться гидравлический прибор с электроприводом, отвечающий требованиям, указанным на чертеже и в табл. и .
Таблица 1
мм
|
Норма |
||
|
для картона |
||
|
Внешний диаметр верхнего прижимного кольца - Д в, не менее |
||
|
Внешний диаметр нижнего прижимного кольца - Д н , не менее |
||
|
Диаметр отверстия верхнего прижимного кольца -Д 1 |
30,50±0,05 |
31,50±0,05 |
|
Диаметр отверстия нижнего прижимного кольца - Д 2 |
33,10±0,05 |
31,50±10,05 |
|
Радиус закругления нижней кромки отверстия нижнего кольца (со стороны диафрагмы) - R |
4,00±0,05 |
4,00±0,05 |
|
Радиус закругления кромки отверстия верхнего кольца (со стороны образца) - R 1 |
0,20±0,05 |
0,60±0,05 |
|
Радиус закругления верхней кромки отверстия нижнего кольца (со стороны образца) - R 2 |
0,40±0,05 |
|
Таблица 2
|
Параметры прибора |
||
|
для волокнистых полуфабрикатов и бумаги |
для картона |
|
|
Максимальный предел измерения манометров, кПа |
1600 |
6000 |
|
Цена деления шкалы, кПа, не более |
||
|
Давление, необходимое для обеспечения стрелы выпучивания диафрагмы (без образца), кПа: |
||
|
(9,0±0,5) мм |
30±10 |
|
|
(10,0±0,5) мм |
195±25 |
|
|
(14,0±0,5) мм |
250±40 |
|
|
(18,0±0,5) мм |
300±50 |
|
|
Усилие прижима образца, Н, не менее |
2700 |
5000 |
|
Объемная скорость прокачивания жидкости в нагнетательном насосе, см 3 /мин |
95±5 |
170±15 |
Примечание . Допускается использование приборов с манометрами, имеющими другие пределы измерения, а также приборов с электронными датчиками.
(Измененная редакция, Изм. № 1).
2.1.1. Диафрагма, передающая давление на испытуемый образец, должна быть изготовлена из эластичной резины, способной равномерно восстанавливаться после деформации в условиях многократных нагрузок. Материал и форма диафрагмы должны обеспечивать размеры стрелы выпучивания, указанные в табл. .
2.1.2. Зажимающее устройство в соответствии с чертежом и табл. должно обеспечивать надежное и равномерное закрепление испытуемого образца без повреждения и полностью исключать его скольжение во время испытания.
Зажимающие поверхности прижимных колец должны быть плоскими и параллельными между собой и иметь спиральные или концентрические канавки V -образного сечения, как указано на чертеже.
Усилие прижима должно соответствовать значениям, указанным в табл. . Для гофрированного картона усилие прижима должно быть таким, чтобы образец не скользил и гладкие слои не деформировались.
Для измерения давления в системе прижима должны применяться манометры по ГОСТ 2405 .
На приборе типа ПГБ для испытания полуфабрикатов и бумаги давление в системе прижима должно быть не менее 2000 кПа, на приборе типа ПГК для испытания картона - не менее 3200 кПа.
2.1.3. Манометры, фиксирующие давление, при котором происходит разрушение образца, должны соответствовать требованиям ГОСТ 2405 , класс точности 0,6, и должны быть снабжены контрольными стрелками.
Цена деления шкалы манометров для тонких бумаг должна быть не более 10 кПа.
2.1.4. Гидравлическая система прибора должна быть заполнена дистиллированным глицерином по ГОСТ 6824 .
Скорость подачи жидкости под диафрагму должна быть равномерной и соответствовать приведенной в табл. .
Пузырьки воздуха в гидравлической системе не допускаются.
Автоматическое устройство должно прекращать подачу жидкости в момент разрыва образца.
3. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ
3.1. Для испытания полуфабрикатов изготовляют по пять отливок: для древесной массы - по ГОСТ 16296 , для целлюлозы - по ГОСТ 14363.4 . На каждой отливке намечают два места для испытания.
3.2. От листов пробы бумаги и картона произвольно отбирают 10 листов для испытания и из каждого вырезают по два образца, делая пометку на одной и той же стороне всех образцов. Размеры образца должны быть такими, чтобы он перекрывал всю поверхность прижимного кольца.
Образцы должны быть без морщин и повреждений, по возможности без водяных знаков.
3.3. Образцы подвергают кондиционированию по ГОСТ 13523 . Относительная влажность, температура и время кондиционирования должны быть указаны в стандартах на конкретную продукцию.
4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ
4.1. Испытания проводят в тех же атмосферных условиях, при которых проводили кондиционирование образцов.
4.2. Образец помещают на нижнее прижимное кольцо прибора так, чтобы перекрывалась вся поверхность кольца. Закрепляют образец в прижимном устройстве испытуемой стороной вниз и постепенно повышают гидравлическое давление до разрушения образца.
Отсчет показаний манометра проводят с точностью до 1 деления шкалы. Измеряемая величина должна находиться в пределах от 25 до 75 % максимального значения шкалы, но не выходя за пределы от 15 до 85 % полной градуировки.
Проводят по пять определений на каждой стороне для волокнистых полуфабрикатов и по десять определений на каждой стороне для бумаги и картона.
При наличии соответствующих указаний в стандартах на конкретную продукцию проводят односторонние испытания десяти образцов.
(Измененная редакция, Изм. № 1).
4.3. Бумагу с низким значением сопротивления продавливанию испытывают в виде стопы из нескольких образцов, при условии, что сопротивление продавливанию стопы должно составлять не менее 70 кПа. Все образцы в стопе должны быть ориентированы параллельно и положены одной и той же стороной вверх; полученное значение сопротивления продавливанию следует делить на количество образцов.
5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
5.1. Абсолютное сопротивление продавливанию Р о , кПа, вычисляют по формуле
где S p - сумма показаний манометра для всех испытаний, кПа;
п - количество выполненных испытаний.
5.2. Относительное сопротивление продавливанию, приведенное к условной массе продукции площадью 1 м 2 100 г, P w , кПа, вычисляют по формуле
где m - масса продукции площадью 1 м 2 , г.
5 3. Индекс продавливания X , кПа/г, вычисляют по формуле
5.4. За окончательный результат испытания принимают среднее арифметическое результатов всех испытаний для обеих сторон, либо отдельно для каждой стороны, в зависимости от указаний в нормативно-технической документации на конкретную продукцию.
5.5. Результаты испытания округляют до трех значащих цифр.
Относительная погрешность определения сопротивления продавливания не превышает ±9 % при доверительной вероятности 0,95.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ
1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством лесной, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности СССР
РАЗРАБОТЧИК
И.Г. Логвинова
2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 15.05.86 № 1243
3. Периодичность проверки - 5 лет
4. Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 4239-83, международным стандартам ИСО 2758-83, ИСО 2759-83
5. ВЗАМЕН ГОСТ 13525.8-78 и ГОСТ 13648.7-78
6. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
7. Ограничение срока действия снято по протоколу № 2-92 Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 2-93)
8. ПЕРЕИЗДАНИЕ (октябрь 1998 г.) с Изменением № 1, утвержденным в ноябре 1988 г. (ИУС 2-89)
Сопротивление разрыву - это усилие, требуемое для разрыва полоски материала. До определенного предела материал демонстрирует упругие и эластичные свойства. В упругой области деформация (удлинение), вызванная приложенной силой (напряжением), пропорциональна этой силе. Эта зависимость известна как закон Гука и может быть выражена следующим образом:
Напряжение (приложенная сила) = Константа х Деформация (изменение размеров)
F=E∆x,
где F- разрушающее, усилие, Е - константа, ∆ х - удлинение.
Константа Е известна как модуль упругости (модуль Юнга).
Бумага и картон демонстрируют упругие свойства до определенного предела (рис. 1.25). Это означает, что если действие силы прекращается, образец восстанавливает свою первоначальную форму, однако выше предела упругости эта зависимость больше не действует, так как материал постепенно деформируется, вплоть до его разрыва.
Технические требования основаны на методах испытаний с фиксированной шириной полоски материала и скоростью изменения нагрузки. При этом сопротивление разрыву регистрируется как сила на единицу ширины. Сопротивление разрыву в продольном направлении выше, чем в поперечном.
Рис. 1.25. Зависимость напряжения от деформации, демонстрирующая упругопластические свойства. Кривая «нагрузка-удлинение»
Прочность бумаги на разрыв может выражаться разрывной длиной - условной расчетной величиной, показывающей, при какой длине висящая полоска бумаги, закрепленная в одной точке, порвется за счет свой собственной массы.
Величина сопротивления разрыву в точке разрыва зависит от скорости изменения нагрузки. При равномерном повышении нагрузки испытания проводятся в режиме статического растяжения, а когда нагрузка прилагается резко в течение очень короткого времени - в режиме динамического растяжения.
Последняя характеристика, определяемая как поглощение энергии растяжения (ПЭР), важна для понимания свойств бумаги, связанных с поведением многослойного бумажного мешка в испытании на сбрасывание. Это испытание является мерой работы (произведение силы и расстояния), необходимой для разрыва образца, и служит характеристикой сопротивления разрыву и относительного удлинения в процентах.
Удлинение при растяжении (разрывное удлинение)
Разрывное удлинение - это максимальное удлинение полосы материала в испытании на разрыв, являющееся мерой эластичности. Выражается она в процентах как увеличение длины образца между зажимами по сравнению с первоначальной длиной. Удлинение в поперечном направлением больше, чем в продольном.
Сопротивление раздиранию
Сопротивление раздиранию (рис. 1.26) - это усилие, необходимое для увеличения разрыва в листе после сделанного в нем надреза. В большинстве случаев необходимо увеличивать сопротивление раздиранию, но в некоторых случаях требуется, что бы материал рвался чисто (например, у отрывных лент для облегчения открывания упаковки и получения доступа к содержимому).
Сопротивление продавливанию
Для испытания на сопротивление продавливанию образец бумаги или картона закрепляют над закрытым эластичной (резиновой) мембраной круглым отверстием и подвергают действию возрастающего давления до тех пор, пока образец не разрывается (рис. 1.27). Это испытание несложно, но в реальных условиях его связь с прочностью довольно сложна. Высокие значения сопротивления продавливанию свидетельствуют о жесткости материала. Как мы уже отмечали в разделе 1.2.6, на этапе подготовки бумажной массы в нее могут быть добавлены мочевино- и меламино-формальдегидные смолы, которые способствуют сохранению значительной доли прочности бумаги как в сухом виде, так и при намокании в ходе дальнейшего использования. Сопротивление продавливанию во влажном состоянии рассчитывается на основе сравнения значений сопротивления продавливанию под действием давления в сухом состоянии и после определенного увлажнения образца. Процентное отношение значений сопротивления продавливанию в мокром и сухом состоянии соответствует степени сохранения прочности в мокром состоянии.
Рис. 1.26. Принцип определения сопротивления раздиранию
Рис.1.27. Принцип определения сопротивления продавливанию
Жесткость
Для печати, сборки упаковки и ее использования большое значение имеет жесткость, которая определяется как сопротивление изгибу, вызываемому приложением внешней силы. Измеряют жесткость путем приложения силы F к свободному концу материала определенного размера (длиной l ), который с другой стороны зажат. Свободный конец при этом отклоняется на фиксированное расстояние или угол 8. Этот метод известен как двухточечный (рис. 1.28) и используется для измерения жесткости при изгибе (по Лоренцену и Вэттру, 5°, Lorentzen and Wettres), сопротивления изгибу (по Лоренцену и Вэттру, 15°) и жесткости (по Таберу, 15°, Taber).
Рис. 1.28. Приложение нагрузки для измерения жесткости при изгибе двухточечным методом
Величина жесткости при изгибе в продольном направлении выше, чем в поперечном, что иногда выражают отношением жесткости в продольном и поперечном направлениях. Это различие является результатом различного ориентирования волокон вследствие применяемого метода производства бумаги и картона. Жесткость связана и с другими важными свойствами, в частности с поведением картонных коробок при испытаниях на сжатие, стойкость к перегибу, сгибаемость и общую ударопрочность. При измерении жесткости при изгибе важно учитывать, что она связана с модулем Юнга (Е) и толщиной материала (t) следующим образом:
Жесткость = Константа (зависящая от материала) × E × t 3 .
Для однородных материалов эта кубическая зависимость имеет место при условии, что не превышен предел упругости. Для бумаги и картона показатель степени несколько ниже 3,0, но все равно довольно значителен (для некоторых типов картона он составляет около 2,5-2,6). Таким образом, можно утверждать, что жесткость существенно зависит от толщины материала, что легко заметить при удвоении толщины - жесткость при этом возрастает в пять раз и более.
Сопротивление сжатию
При рассмотрении сжатия в контексте требований к упаковке мы обычно имеем в виду действие на упаковку (например, на картонные коробки, ящики и бочки) внешних нагрузок при хранении упакованных продуктов, их сбыте и использовании.
При этом необходимо учитывать влияние на сопротивление сжатию различных характеристик конструкции упаковки, разных видов бумаги и картона, их толщины, а также атмосферных условий. Учитывают и различие между статической нагрузкой, прилагаемой в течение длительного времени (при нахождении упакованного груза на складе), и динамической нагрузкой, связанной со значительными усилиями, прилагаемыми в течение короткого времени (в частности, при падениях и ударах в ходе транспортировки). Испытания на сопротивление сжатию проводят при различных нагрузках.
Исследования показали, что к свойствам бумаги и картона, влияющим на их поведение при испытаниях коробок на сжатие, относятся жесткость и свойство, известное как сопротивление сжатию, определяемое по методу SCT (Short-span Compression Test) - сопротивление торцевому сжатию образца (база образца 0,7 мм).
При сжатии образца бумаги или картона за счет приложения силы к противоположным кромкам в плоскости образца, материал изгибается, и это не может служить мерой сопротивления сжатию (рис. 1.29). Если же высота образца в направлении приложения силы меньше средней длины волокна (например, она уменьшена до 0,7 мм), сила прикладывается к сети волокон таким образом, что сжимается сама сеть, вызывая взаимное смещение волокон. В этой ситуации межволоконная связь, тип и количество волокон целлюлозы становятся важным для результата испытаний по методу SCT. Именно эта присущая данному листу характеристика в направлении измерения (продольном или поперечном) влияет на поведение коробок при испытаниях на сжатие наряду с жесткостью.
Рис. 1.29. Испытание на сопротивление сжатию. Обратите внимание на различие длины образца по сравнению с испытанием на разрыв
Стойкость к перегибу и сгибаемость
При изготовлении пакетов различной конструкции, саше, картонных коробок и ящиков из гофрированного и коробочного картона бумагу и картон часто складывают. Более тонкие материалы складывают механически на 180°, и полученные складки прокатывают (фальцуют) для придания стойкости. Более толстые материалы для изготовления складных и жестких картонных коробок требуют, чтобы в материале для легкого сгибания присутствовала линия рилевки (биговки), служащая своеобразным шарниром (осью), позволяющим перегибать картонную заготовку на 180°. Нанесение рилевки на картонные заготовки производится рилевочными муфтами с канавками разного профиля.
В процессе рилевания на верхней поверхности заготовки картонной коробки образуются канавки (биги), а на обратной стороне - выпуклости. При складывании коробки материал подвергается нескольким видам нагрузок (см. рис. 10.29 в главе 10).
Верхние слои картона на наружной стороне получаемой складки расширяются и должны обладать соответствующей прочностью на разрыв и растяжение. Внутренние слои сжимаются, вызывая местное расслаивание (см. рис. 10.30-10.32). Расслаивание обратной стороны при продолжении процесса складывания до заданного угла приводит к образованию валика (утолщения) и ведет себя подобно петле (рис. 1.30). Важно, чтобы это утолщение не разрывалось и не деформировалось, в связи с чем слой картона на обратной стороне также должен обладать большой прочностью.
Рис. 1.30. Формирование рилевочной линии (бига)
Помимо высоких прочностных свойств материала очень важна геометрия и ширина рилевочной (биговальной) линии, ширина и глубина канавки рилевочной муфты, а также глубина проникновения рилевочной линейки в материал. Помимо визуальной проверки бигов и фальцев, измеряют также сопротивление складыванию и сопротивление собранной коробки сжатию, которые можно регулировать путем изменения геометрии рилевки.
Функциональные свойства рилевочных линий складываемых и склеиваемых картонных коробок зависят от продолжительности и условий хранения заготовок с клееным боковым швом перед подачей в упаковочную машину. Эта характеристика может быть измерена как «усилие открывания картонной коробки». Условия такого промежуточного хранения (влажность, температура, плотность упаковывания и условия штабелирования) - очень важные факторы, влияющие на эффективность упаковочных операций.
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЕ СТАНДАРТЫБУМАГА И КАРТОН
МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ
ГОСТ 13525.8-86
МОСКВА - 1999
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
Дата введения 01.01.88
Настоящий стандарт распространяется на волокнистые полуфабрикаты, бумагу и картон, в том числе гофрированный, и устанавливает гидравлический метод определения сопротивления продавливанию. Метод заключается в создании плавно нарастающего гидравлического давления, действующего через резиновую диафрагму на поверхность одной стороны зажатого по кольцу образца, и определении значения давления, при котором образец разрушается.
1. ОТБОР ПРОБ
1.1. Отбор проб древесной массы - по ГОСТ 16489 . 1.2. Отбор проб целлюлозы - по ГОСТ 7004 . 1.3. Отбор проб бумаги и картона - по ГОСТ 8047 .2. АППАРАТУРА
2.1. Для испытания должен применяться гидравлический прибор с электроприводом, отвечающий требованиям, указанным на чертеже и в табл. 1 и 2.Таблица 1
|
Наименование размера |
||
|
для картона |
||
| Внешний диаметр верхнего прижимного кольца - Д в, не менее | ||
| Внешний диаметр нижнего прижимного кольца - Д н , не менее | ||
| Диаметр отверстия верхнего прижимного кольца -Д 1 | ||
| Диаметр отверстия нижнего прижимного кольца - Д 2 | ||
| Радиус закругления нижней кромки отверстия нижнего кольца (со стороны диафрагмы) - R | ||
| Радиус закругления кромки отверстия верхнего кольца (со стороны образца) - R 1 | ||
| Радиус закругления верхней кромки отверстия нижнего кольца (со стороны образца) - R 2 | ||
Таблица 2
|
Наименование технических характеристик |
Параметры прибора |
|
|
для волокнистых полуфабрикатов и бумаги |
для картона |
|
| Максимальный предел измерения манометров, кПа | ||
| Цена деления шкалы, кПа, не более | ||
| Давление, необходимое для обеспечения стрелы выпучивания диафрагмы (без образца), кПа: | ||
| (9,0±0,5) мм | ||
| (10,0±0,5) мм | ||
| (14,0±0,5) мм | ||
| (18,0±0,5) мм | ||
| Усилие прижима образца, Н, не менее | ||
| Объемная скорость прокачивания жидкости в нагнетательном насосе, см 3 /мин | ||
3. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ
3.1. Для испытания полуфабрикатов изготовляют по пять отливок: для древесной массы - по ГОСТ 16296 , для целлюлозы - по ГОСТ 14363.4 . На каждой отливке намечают два места для испытания. 3.2. От листов пробы бумаги и картона произвольно отбирают 10 листов для испытания и из каждого вырезают по два образца, делая пометку на одной и той же стороне всех образцов. Размеры образца должны быть такими, чтобы он перекрывал всю поверхность прижимного кольца. Образцы должны быть без морщин и повреждений, по возможности без водяных знаков. 3.3. Образцы подвергают кондиционированию по ГОСТ 13523 . Относительная влажность, температура и время кондиционирования должны быть указаны в стандартах на конкретную продукцию.4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ
4.1. Испытания проводят в тех же атмосферных условиях, при которых проводили кондиционирование образцов. 4.2. Образец помещают на нижнее прижимное кольцо прибора так, чтобы перекрывалась вся поверхность кольца. Закрепляют образец в прижимном устройстве испытуемой стороной вниз и постепенно повышают гидравлическое давление до разрушения образца. Отсчет показаний манометра проводят с точностью до 1 деления шкалы. Измеряемая величина должна находиться в пределах от 25 до 75 % максимального значения шкалы, но не выходя за пределы от 15 до 85 % полной градуировки. Проводят по пять определений на каждой стороне для волокнистых полуфабрикатов и по десять определений на каждой стороне для бумаги и картона. При наличии соответствующих указаний в стандартах на конкретную продукцию проводят односторонние испытания десяти образцов. (Измененная редакция, Изм. № 1). 4.3. Бумагу с низким значением сопротивления продавливанию испытывают в виде стопы из нескольких образцов, при условии, что сопротивление продавливанию стопы должно составлять не менее 70 кПа. Все образцы в стопе должны быть ориентированы параллельно и положены одной и той же стороной вверх; полученное значение сопротивления продавливанию следует делить на количество образцов.5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
5.1. Абсолютное сопротивление продавливанию Р о, кПа, вычисляют по формулеГде S p - сумма показаний манометра для всех испытаний, кПа; п - количество выполненных испытаний. 5.2. Относительное сопротивление продавливанию, приведенное к условной массе продукции площадью 1 м 2 100 г, P w , кПа, вычисляют по формуле
Где m - масса продукции площадью 1 м 2 , г. 5 3. Индекс продавливания X , кПа/г, вычисляют по формуле
5.4. За окончательный результат испытания принимают среднее арифметическое результатов всех испытаний для обеих сторон, либо отдельно для каждой стороны, в зависимости от указаний в нормативно-технической документации на конкретную продукцию. 5.5. Результаты испытания округляют до трех значащих цифр. Относительная погрешность определения сопротивления продавливания не превышает ±9 % при доверительной вероятности 0,95.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ
1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством лесной, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности СССР РАЗРАБОТЧИК И.Г. Логвинова 2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 15.05.86 № 1243 3. Периодичность проверки - 5 лет 4. Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 4239-83, международным стандартам ИСО 2758-83, ИСО 2759-83 5. ВЗАМЕН ГОСТ 13525.8-78 и ГОСТ 13648.7-78 6. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ|
Номер пункта |
|
| ГОСТ 16489-78 | |
| ГОСТ 7004-93 | |
| ГОСТ 8047-93 | |
| ГОСТ 2405-88 | |
| ГОСТ 6824-96 | |
| ГОСТ 16296-79 | |
| ГОСТ 14363.4-89 | |
| ГОСТ 13523-78 |
