CN101042395A - 一种测量纤维间剪切结合强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量纤维间剪切结合强度的方法，包括下述步骤：(A)在一定湿压及一定的打浆度下，测量纤维形态参数系数k；(B)测量纸页的零距离抗张强度Z，抗张强度T，光散射系数S；(C)计算培基结合强度指数PBSI；(D)绘制培基结合强度指数PBSI和光散射系数S的关系图；(E)由关系图计算剪切结合强度b值。本发明以培基(PAGE)结合理论为基础，并结合光散射系数测量技术，研究出一种简单的测量计算单根纤维剪切结合强度的方法，本方法无需采用专门的仪器，不受定量和助剂等因素的影响，操作简单，易于实现，可适用于所有纸页的测量，适应性好。

Description

一种测量纤维间剪切结合强度的方法

                       技术领域

本发明涉及制浆造纸中的测量方法，特别涉及一种测量纤维间剪切结合强度的方法。

                       背景技术

在制浆造纸领域中，对于剪切结合强度的测量，要测量微观细小的纤维与纤维间的剪切结合强度比较困难，现在比较普遍的是测量纸页的宏观结合强度来反映纤维间的剪切结合强度的大小。其测量方法主要有宏观测量法(多根纤维测量方法)和微观测量法(单根纤维测量方法)；在宏观测量法方面比较突出的有：Z向结合强度测量法(Z～directional TensileTest)，纸页分层测量法(Delamination Test)，斯考特结合强度测量法(ScottBond Test)，另外还有利用平面超声波弹性模量(In～plane UltrasonicModulus)与纸页的强度成线性关系而建立的超声波测量法等。其中，Z向结合强度测量法是最老的一种方法，灵敏度好但比较费时，对于结合力大的纸页，需用环氧型粘合剂来固定纸页；这样需要花费一定的时间，而且必须小心以免粘合剂渗入纸页而影响结果。纸页分层测量法相对来说测试速度要快，但它不适合定量太低的纸页。斯考特结合强度测量法容易受纸页定量和测试装置的动态性能(Dynamic Nature)影响，从而易得到比实际情况大的结果。上述三种测量方法主要是测量纸页结合处的破裂功(J/m²)，因此测量结果除了包括纤维与纤维的结合能外，还有其它的能量：如纸页分层测量法包括散射在纤维网络中的能量(Dissipated Energy)；Z向结合强度测量法包含纤维内部结合破裂功(Intrafiber Bond FailureEnergy)。另外，这三种方法都只是测量纤维在一个平面面积上面的破裂功，实际上纤维的结合面积并不是一个纯平面面积而是个立体面积；而且即使在实验定义的平面面积里，纤维也并不是在整个平面都完全结合，而只是在有限处结合，因此实验中破裂的面积要比实际结合面积大。所以，这三种方法并不能得出绝对的单根纤维的剪切强度值。超声波测量法虽能实现实时测量，但对化学助剂提高的结合强度不敏感。在微观测量法方面，Mohlin用他自己设计的一套主要原理为显微放大，名为Fiber～Cellophane的装置对单根纤维的剪切结合强度和结合面积进行了测量；Stratton设计出一套名为FLER2的测量装置来测量纤维间的剪切结合强度和结合面积；Nordman和Rennel采用了与吸收能相关的一种剪切结合强度的测量方法；Mayhood设计出一套Moving Mount的设备来测量纤维间的剪切结合强度。以上研究人员都对打浆度对单根纤维的剪切结合强度影响进行了研究，设计的仪器测量非常复杂难以操作，测量耗时耗力。

                   发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种无需采用专门的仪器，不受定量和助剂等因素的影响，操作简单，易于实现，适用性好的测量纤维间剪切结合强度的方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种测量纤维间剪切结合强度的方法，包括下述步骤——

(A)在一定湿压及一定的打浆度下，测量纤维形态参数系数k；具体为：

测量纤维的纤维粗度(c)，纤维周长(P)，纤维长度(L)，根据式(1)计算k值。

$k=\frac{12c}{\mathrm{PL}}---\left(1\right)$

(B)测量纸页的零距离抗张强度Z，抗张强度T，光散射系数S。

(C)根据式(2)计算培基结合强度指数(Page Bonding Strength Index，PBSI，Nm·g^～1)

$\mathrm{PBSI}={[\frac{1}{T}-\frac{9}{8Z}]}^{-1}---\left(2\right)$

(D)推导培基结合强度指数PBSI与光散射系数S的关系；具体为：结合的面积用相对结合面积RBA定义如式(3)所示。

$\mathrm{RBA}=\frac{S_0-S}{S_0}---\left(3\right)$

式中：RBA——相对结合面积，％；S——纸页的光散射系数，m²/kg；

      S₀——纸页完全未结合的光散射系数，m²/kg；

培基(PAGE)计算抗张强度的方程如式(4)：

$\frac{1}{T}=\frac{9}{8Z}+\frac{12c}{\mathrm{bPL}\left(\mathrm{RBA}\right)}---\left(4\right)$

其中，T——抗张指数，Nm/g；     Z——零距离抗张强度，Nm/g；

      c——纤维粗度，mg/100m；  b——纤维单位结合面积的剪切强度，N/m²；

      P——纤维周长，μm；      L——纤维长度，mm；

      RBA——相对结合面积，％；

把式(3)代入(4)中，可得式(5)

${[\frac{1}{T}-\frac{9}{8Z}]}^{-1}=\frac{b}{k}-\left[\frac{b}{k{S}_0}\right]S---\left(5\right)$

把式(1)和式(2)代入(5)，即有

$\mathrm{PBSI}=\frac{b}{k}-\left[\frac{b}{k{S}_0}\right]S---\left(6\right)$

(E)绘制培基结合强度指数PBSI和光散射系数S的关系图；具体为：

恒定压力，改变打浆度，重复步骤(1)、(2)、(3)，得到不同打浆度情况下的培基结合强度指数PBSI和光散射系数S值，绘制两者关系图。

(F)由关系图计算剪切结合强度b值；具体是：由关系图的光散射系数S前的系数来计算剪切结合强度b值。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：本发明以培基(PAGE)结合理论为基础，并结合光散射系数测量技术，研究出一种简单的测量计算单根纤维剪切结合强度的方法，本方法无需采用专门的仪器，不受定量和助剂等因素的影响，操作简单，易于实现，可适用于所有纸页的测量，适应性好。

                   附图说明

图1是不同打浆度下的纤维长度分布图。

图2是不同打浆度下培基结合强度指数PBSI与光散射系数S的关系曲线图。

                   具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例采用的浆料为：漂白加拿大硫酸盐松木浆

使用的实验仪器与设备包括：

LabTech PFI磨；

标准纤维离散器；

肖氏打浆度仪；

LabTech抄片器；

Mesmer标准纸页压榨器；

FS～200纤维分析器；

OLYMPUS显微镜；

Lorentoen & Wettre抗张强度测试仪；

TechniBriten Miroo TB～1C白度仪；

PUCMAC Z～Span1000零距离抗张强度仪；

本实施例的实验过程包括：

1)备浆：将浆板用水浸泡12小时，撕碎，用筛浆机筛浆，保留长纤维，脱水备用。

2)打浆：测量水份，取相当于30g绝干浆，用PFI磨打浆，测量打浆度和纤维长度L，周长P，粗度c。

3)抄片：在标准抄片器上抄片。

4)湿压：根据实验要求对抄出的湿纸进行湿压，烘干，恒温恒湿24小时。

本测量纤维间剪切结合强度的方法，还包括下述步骤：

(A)测量纤维形态参数系数k

为了保证纤维的长度均一性，实验用PFI磨对纤维打浆，尽量不切断纤维，而以分丝帚化为主。实验测量了不同打浆度对纤维长度影响，结果如表1所示。

                表1不同打浆度下的纤维形态

No

打浆转速/Rev.

打浆度/°SR

纤维长度(二重重均长度)/mm

纤维粗度/mg·(100m)～1

纤维周长/μm

0123456789101112131415

020004000600080001000012000140001600018000200002200024000260002800030000

1216.517182022232628.531.533.53643.544.54652

2.532.242.232.011.731.721.701.701.681.671.661.641.591.491.471.45

-----17.918.018.118.018.218.118.2----

-----58.15858.158.258.158.358.3----

由表1，可以得出不同打浆度下的纤维长度，分布如图1所示。由图1可以看出，随着打浆转数的提高和打浆度的升高，纤维的长度有所下降，但在8000～22000Rev.(20～35°SR)间，长度几乎没有变化(1.68±0.045mm)，变异系数为2.67％，因此实验可以选在这个范围内进行。我们选10000～22000Rev.进行下一步的实验。

打浆转数10000～22000Rev.的纤维粗度和周长测量结果也列在表1中，从表中看出，随着打浆度的升高，纤维的粗度为18.07±0.17mg·(100m)^～1和周长为58.15±0.15μm，变化范围是在实验的误差范围以内。

因此，在打浆转数10000～22000Rev.间，纤维长度L，粗度c和周长P都趋于恒定，因此可以根据它们的平均值，结合式(1)，计算出k值为

$k=\frac{12c}{\mathrm{PL}}=\frac{12\×18\×{10}^{-5}}{58.2\×{10}^{-9}\×1.68}g/m^3=2.20\×{10}^{4}g/m^3---\left(7\right)$

(B)测量纸页的零距离抗张强度Z，抗张强度T，光散射系数S。

在10000～22000Rev.打浆，然后把湿纸在4.0bar(4.0×10⁵N/m²)压力下压榨，抄纸；在空气相对湿度(Relative Humidity，RH，％)50％下恒温(23℃)恒湿24小时。测量此压力此湿度下不同打浆度下的纸页的抗张强度指数T、零距离抗张强度指数Z和光散射系数S。结果如表2所示。

        表2  4bar压力，50％RH，不同打浆度的纸页的Z，T和S

打浆转数/Rev.	打浆度/°SR	零距离抗张强度指数/Nm·g～1	抗张强度指数/Nm·g～1	光散射系数/m2kg～1
					10000120001400016000180002000022000	22232628313336	200202208212216219221	53.6658.760.6862.6466.5567.2767.75	28.8927.9727.1927.0626.1926.1725.43

(C)计算培基结合强度指数(Page Bonding Strength Index，PBSI，Nm·g^～1)；具体是由表2的数据根据式(2)来计算培基结合强度指数PBSI值。

(D)绘制培基结合强度指数PBSI和光散射系数S的关系图。由表2可得培基结合强度指数PBSI结合指数和光散射系数S的关系曲线，如图2所示；从图2可知，光散射系数S和培基结合强度指数PBSI有较好的线性关系。结合式(5)，可知在打浆度在22～36°SR变化时，截距 趋于恒定，同时k在此打浆范围趋于恒定，因此可得b也趋于恒定。即在此打浆范围内，打浆并不能有效地改变剪切结合强度b。

(E)由关系图计算剪切结合强度b值

由图3可得，4.0bar压力，相对湿度50％条件下，不同打浆度下光散射系数S和培基结合强度指数PBSI的关系方程为

PBSI_{4.0bar，50％RH}＝-8.1517S_{4.0bar，50％RH}+313.73..........................(8)

对比式(5)和式(8)有

$\frac{b}{k{S}_0}=8.1517---\left(9\right)$

$\frac{b}{k}=313.73---\left(10\right)$

结合式(5)，由式(9)和式(10)可得S₀为38.49m²kg^～1，b为6.90×10⁶N·m^～2。

因此，就计算出了在4bar压力下，漂白加拿大硫酸盐松木浆的纤维剪切结合力为6.90×10⁶N·m^～2。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种测量纤维间剪切结合强度的方法，其特征在于包括下述步骤：

(A)在一定湿压及一定的打浆度下，测量纤维形态参数系数k；

(B)测量纸页的零距离抗张强度Z，抗张强度T，光散射系数S；

(C)计算培基结合强度指数PBSI；

(D)绘制培基结合强度指数PBSI和光散射系数S的关系图；

(E)由关系图计算剪切结合强度b值。

2、根据权利要求1所述的测量纤维间剪切结合强度的方法，其特征在于：所述步骤(A)为测量纤维的纤维粗度c，纤维周长P，纤维长度L，根据下式计算k值； $k=\frac{12c}{\mathrm{PL}}.$

3、根据权利要求1所述的测量纤维间剪切结合强度的方法，其特征在于：所述步骤(C)为根据下式计算培基结合强度指数PBSI；

$\mathrm{PBSI}={[\frac{1}{T}-\frac{9}{8Z}]}^{-1}.$

4、根据权利要求1所述的测量纤维间剪切结合强度的方法，其特征在于：所述步骤(E)是由步骤(D)所述关系图的光散射系数S前的系数来计算剪切结合强度b值。

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