Примечание: Этот текст является кратким извлечением из главы 12 «Руководства по волокну ABB» (ABB Fiber Guide).
Модели волокон для имитации сложной структуры волокон
Волокна имеют сложную структуру, которая сильно варьируется в зависимости от породы древесины, условий произрастания, методов варки целлюлозы и степени рафинирования. Чтобы измерить свойства волокна, мы должны определить типичные свойства, которые можно измерить. Очевидным параметром является длина волокна. Однако длину волокна измерить непросто, но модель, которая работает довольно хорошо, заключается в рассмотрении волокна как прямоугольника с шириной и длиной.
Например, в приборе L&W Fiber Tester Plus для каждого обнаруженного объекта (волокна) измеряются площадь (A) и периметр (P).
Длина (L) и ширина (W) рассчитываются по следующим уравнениям:
A = L × W P = (2 × L) + (2 × W)
Где: A = измеренная площадь обнаруженного объекта; P = измеренный периметр обнаруженного объекта; L = рассчитанная длина обнаруженного объекта; W = рассчитанная ширина обнаруженного объекта.
Длина примерно равна половине периметра, а ширина затем рассчитывается исходя из этой длины и площади. Все пиксели изображения используются для расчета средней длины и ширины объекта.
Длина волокна и ее влияние на бумажный лист
Большая длина волокна положительно влияет на прочность листа, но также может оказывать негативное влияние на формирование листа. Длина должна измеряться с минимальным влиянием степени деформации волокна и с компенсацией этой деформации. После сообщения средней длины наиболее распространенным представлением данных является кривая распределения по длине. Предел для мелочи (fines) составляет менее 0,2 мм согласно стандартам, поэтому кривая начинается с 0,2 мм.
У березы очень мало волокон длиннее 1,5 мм. ХТММ (химико-термомеханическая масса) из ели имеет волокна такой же длины, как и хвойная химическая целлюлоза, но еловая ХТММ также содержит много мелочи и обрезанных волокон. Обратите внимание, что площадь поверхности под каждой кривой одинакова, и каждая кривая состоит из 75 классов длины волокна.
Коэффициент формы
Коэффициент формы (также называемый форм-фактором) является важным показателем качества целлюлозы. Коэффициент формы определяется как отношение максимальной длины вытяжки волокна (также называемой проекционной длиной, которая приблизительно равна расстоянию между концами волокна) к истинной длине волокна (вдоль контура волокна) и часто представляется в процентах.
Коэффициент формы S = 100 × l / L, где l = проекционная длина; L = истинная длина. Примечание: Извитость (Curl) часто используется как альтернатива коэффициенту формы и определяется как: Извитость = (L / l) – 1
Высокий коэффициент формы S означает прямые волокна и в большинстве случаев обеспечивает хорошие механические свойства листа. Он хорошо коррелирует с прочностью на разрыв и жесткостью при растяжении. Бережно обработанная лабораторная целлюлоза имеет прямые волокна, в то время как на заводе существует несколько технологических этапов, которые могут привести к извитости волокон, например, прессы, смесители и т. д.
Разница в коэффициенте формы между 81% и 85% может привести к разнице в 15 Нм/г в индексе прочности на разрыв в нерафинированных образцах товарной беленой хвойной целлюлозы из Скандинавии (подробнее см. главу 14). Эта разница сохраняется после рафинирования с постоянной энергией, даже несмотря на то, что уровень индекса прочности на разрыв увеличился из-за фибрилляции поверхности волокна.
Волокна с коэффициентом формы ниже 50% не включаются в статистику, генерируемую L&W Fiber Tester Plus, поскольку очень мало волокон имеют такой низкий коэффициент формы. Волокна хвойной ХТММ после обработки латентности более прямые, чем химические волокна хвойных пород. Тем не менее, химические волокна хвойных пород обеспечивают лучшую прочность листа из-за лучшего связывания, поскольку они более гибкие и содержат меньше лигнина.
Излом (Kink)
Локальные деформации, такие как колена и морщины в волокнах, называются изломами. Они обнаруживаются как изменения направления главной оси волокон на ограниченном расстоянии от волокна.
Рассчитывается направление с каждой стороны центральной точки. Если угол превышает 20°, регистрируется излом. Данные измерений изломов включают: изломов/мм; изломов/волокно; изломов > 60° на волокно; среднюю длину сегмента (среднее расстояние между изломами); модифицированный индекс излома (20°) [Kibblewhite]; и средний угол излома.
Один из способов обнаружить последствия скрытых деформаций — химически или механически воздействовать на волокна и измерить результат на волокнах. Один из таких методов измерения дислокаций и других слабых мест в волокнах еловой целлюлозы использует расщепление волокон, индуцированное соляной кислотой, с последующим анализом распределения волокон по длине, взвешенному по длине.
Можно сохранить необработанные данные, чтобы иметь возможность просматривать отдельные волокна и вычисленные углы излома впоследствии. Излом и коэффициент формы часто коррелируют. Все типы деформаций включены в коэффициент формы. Количество локальных деформаций волокна может в среднем составлять одну на волокно, что означает, что волокна в целом имеют слабые места. Вероятно, они играют важную роль в определении прочности волокна.
Мелочь (Fines)
Мелочь часто оказывает иное влияние на процессы и продукты, чем волокна. Первичная мелочь заметна до размола и включает лучевые клетки. Первичная мелочь обладает плохими связующими свойствами. Вторичная мелочь — это та, которая создается во время размола и обычно улучшает прочность листа.
Оба типа мелочи оказывают негативное влияние на водоотдачу на бумагоделательной машине. При размоле хвойных пород большая часть произведенной вторичной мелочи короче 100 мкм и тоньше 30 мкм. При размоле лиственных пород размеры произведенной мелочи имеют более широкий диапазон по длине (это означает, что вариация длины мелочи лиственных пород может быть шире по сравнению с размолом волокон хвойных пород).
Фибриллы
При размоле волокон некоторые тонкие части стенки волокна частично разрыхляются. Они называются фибриллами и находятся на пределе того, что можно увидеть в измерительной ячейке, достаточно широкой, чтобы позволить волокнам проходить через нее. Фильтруя изображение, можно увидеть более крупные фибриллы (Рисунок 71). Измеряя волокно с этим фильтром и без него, можно получить значение степени фибрилляции каждого волокна. В качестве значения используется доля фибрилл от площади или периметра всего волокна. Получив значение для отдельного волокна, можно изучить, как различные размеры волокон влияют на фибрилляцию во время размола. Когда смесь лиственных и хвойных пород подвергается размолу, мы часто наблюдаем фибрилляцию на длинных, широких волокнах хвойных пород, но не на тонких, коротких волокнах лиственных пород.
Крилл (Crill)
В целлюлозе также присутствует крошечный более тонкий фибриллярный материал, называемый криллом. В процессе размола крилл развивается очень похоже как на вторичную мелочь, так и на фибриллы, поэтому крилл также важен для связывания волокон и прочностных свойств сухой бумаги. Частицы крилла могут быть шириной всего несколько 0,1 мкм и длиной 100 мкм, и большинство из них невозможно увидеть при обычном видимом свете. Однако специальные методы тестирования на Fiber Tester Plus позволяют измерять крилл на разных длинах волн света.
Эта статья об измерении свойств волокна представляет собой сильно сокращенную версию одной из 20 глав, включенных в руководство ABB Papermaking Fiber Guide, которое содержит ценную информацию для любого специалиста, работающего с процессами обработки древесного волокна на целлюлозно-бумажных комбинатах.
