Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 9
1.1 Структура бумаги и методы ее оценки 9
1.1.1 Свойства и особенности элементов микроструктуры бумаги 10
1.1.2 Макроструктура бумаги и методы ее оценки 14
1.1.3 Изменение структуры бумаги в процессе ее изготовления 17
1.2 Методы и алгоритмы моделирования структуры бумаги 23
1.2.1 Лучевые методы моделирования структуры бумаги 24
1.2.2 Получение 3D-моделей на основе информации о волокне 1.3 Прогнозирование деформационных и прочностных свойств 37
1.4 Выводы по обзору литературы и постановка задач исследования 47
2 Методическая часть 49
2.1 Определение структурно-морфологических характеристик волокна с помощью анализатора L&W FiberTester 49
2.2 Изготовление образцов и подготовка к испытаниям 51
2.3 Определение физических свойств лабораторных образцов 52
2.4 Определение межволоконных сил связи 54
2.5 Определение сопротивлению разрыву при нулевом зазоре 55
2.6 Анализ качества формования бумаги 56
2.7 Определение направления максимальной эластичности волокон 57
2.8 Определение деформационных характеристик при растяжении 60
2.9 Определение удельной поверхности волокон
2.9.1 Подготовка образцов 63
2.9.2 Получение электронных фотографий 64
2.9.3 Измерение на автоматическом анализаторе величины удельной поверхности 65
2.10 Алгоритмы построения 3D-моделей 68
2.10.1 Программные инструменты для построения 3D-моделей 68
Экспериментальная часть 71
3.1 Исследование закономерностей изменения свойств волокнистых материалов при химическом и механическом воздействии в процессах по лучения технической целлюлозы и бумаги 71
3.1.1 Исследование целлюлозных волокон 72
3.1.1.1 Анализ изменения фундаментальных (по Кларку) свойств волокна с различным содержанием лигнина в процессе размола 72
3.1.1.2 Анализ изменения структурно-морфологических характеристик волокна с различным содержанием лигнина в процессе размола 76
3.1.2 Исследование поверхности волокон технической целлюлозы 80
3.1.2.1 Визуальная оценка состояния поверхности волокон с использованием микрофотографий 81
3.1.2.2 Количественная оценка изменения величины удельной по верхности волокон с различным содержанием лигнина при механическом воздействии 87
3.1.3 Установление количественных закономерностей формирования физико-механических характеристик бумаги из растительных волокон с различной степенью разработки 91
3.1.3.1 Характеристика бумаги на уровне макроструктуры с помощью физико-механических характеристик, получаемых не-разрушающими методами 91
3.1.3.2 Характеристика бумаги на уровне листа с помощью физико-механических характеристик, получаемых разрушающими методами 97
3.2 Разработка алгоритмов 3D моделирования волокнистой структуры бумаги 103
3.2.1 Установление законов распределения характеристик отдельных волокон промышленных волокнистых полуфабрикатов 104
3.2.2 Влияние технологических факторов на закономерности изменения параметров распределения характеристик волокон 110
3.2.3 Алгоритм 3D моделирования отдельного волокна 112
3.2.4 Разработка алгоритма моделирования трехмерной структуры бумажного полотна 117
3.2.5 Описание программы для моделирования структуры бумажного листа
3.3 Исследование модели структуры бумажного листа 123
3.4 Прогнозирование механических свойств модельных образцов бумаги 128
4 Общие выводы 133
Список сокращений и условных обозначений 135
Список использованных источников
- Макроструктура бумаги и методы ее оценки
- Определение деформационных характеристик при растяжении
- Анализ изменения фундаментальных (по Кларку) свойств волокна с различным содержанием лигнина в процессе размола
- Установление законов распределения характеристик отдельных волокон промышленных волокнистых полуфабрикатов
Введение к работе
Актуальность темы. Целлюлозно-бумажный материал обладает неоднородной анизотропной структурой, которая формируется в основном из волокон растительного происхождения, распределенных в листе стохастическим образом, и которую, в первом приближении, можно представить в виде волокнистой сетки. От других волокнистых материалов бумагу отличает плоская форма волокон в структуре и наличие системы развитых межволоконных связей. Исследование распределения волокон в бумаге и их взаимодействия друг с другом позволяет понять, как основные компоненты композиции (волокна целлюлозы) влияют на структуру и физико-механические показатели готовой бумаги и в дальнейшем прогнозировать их величины и изменение при варьировании факторов технологии.
Поиск оптимальных условий для получения бумаги с заданным уровнем физико-механических характеристик может происходить различными путями. Традиционный путь – экспериментальный, когда над исходным материалом проводят большое количество опытов и по итогу выбирают наилучшие параметры обработки материала для получения требуемых свойств. В реальности, из-за многостадийности процесса изготовления бумаги и неоднородности структуры, результаты испытаний не обязательно повторятся даже при тех же условиях процесса. Альтернативой является новый и перспективный метод исследования с применением численного моделирования структуры бумаги, который позволяет создать 3-мерную модель материала, которая будет обладать теми же свойствами, что и реальный материал. Работая с созданной моделью, можно избирательно проследить влияние различных параметров и свойств, не выполняя экспериментальной работы. Построение визуальной компьютерной модели дает наглядное представление о расположении и взаимодействии волокон в структуре листа и зависимости физико-механических свойств моделируемых образцов от изменяемых факторов и может быть использовано для прогнозирования деформационного поведения целлюлозно-бумажных материалов.
Применение данного метода для анализа структуры и деформационных свойств целлюлозных материалов является сравнительно молодым направлением, а разработанные зарубежными учеными (S. Lavrykov, R. Vincent, S. Lindstrom и др.) модели обладают рядом недостатков. Развитие приборного и компьютерного обеспечения позволяет получить новую информацию о структуре и свойствах волокнистых материалов и на этой основе создать модель, намного ближе соответствующую реальному бумажному листу, что и делает данную работу актуальной.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является разработка компьютерной модели структуры и деформирования бумажного листа на основании установленных закономерностей формирования структурно-морфологических характеристик целлюлозных волокон с учетом параметров технологии.
Для выполнения данной цели в работе были поставлены следующие задачи:
-
анализ структурно-морфологических свойств хвойных и лиственных целлюлозных волокон, в зависимости от глубины делигнификации и степени разработки поверхности, и деформационно-прочностных свойств образцов, формируемых из данных волокон;
-
установление математически формализованных зависимостей структурно-морфологических свойств целлюлозных волокон и физико-механических свойств лабораторных образцов бумаги из них, от факторов технологии;
-
разработка математического аппарата и программного обеспечения для построения трёхмерной модели волокна и бумажного листа;
-
привязка модели к установленным математически формализованным зависимостям по влиянию технологических факторов на структуру и свойства бумаги;
-
проведение компьютерных имитационных экспериментов по прогнозированию деформационных и прочностных свойств модельной бумаги.
Научная новизна. На основании установленных зависимостей разработаны обобщающие математические модели, связывающие структурно-морфологические свойства целлюлозных волокон с деформационно-прочностными характеристиками бумаги их них, в зависимости от глубины механического воздействия для полуфабрикатов с различным содержанием остаточного лигнина.
Получены новые качественные и количественные данные по изменению величины удельной поверхности хвойных и лиственных волокон с различным содержанием лигнина в процессе размола, и количественно установлена тесная взаимосвязь между величиной поверхности волокон и упругими свойствами бумаги.
С применением вероятностно-статистических методов установлены величины параметров распределения и закономерности их изменения для основных структурно-морфологических характеристик (длины, ширины и фактора формы) хвойных и лиственных волокон с различной степенью делигнификации.
Практическая ценность. Разработан вероятностно-статистический метод генерирования адекватной по геометрическим свойствам модельной выборки волокон, связанной с параметрами технологии, с учетом видов распределения длины, ширины и фактора формы волокон. На основании установленных зависимостей разработаны алгоритмы моделирования отдельных целлюлозных волокон и бумажного полотна в целом. Разработанная виртуальная модель структуры бумаги формируется с учетом задаваемых технологических параметров, и обладает расчетным уровнем деформационных и прочностных характеристик, вычисляемых на основе феноменологической модели деформирования упруго-эластического тела. Алгоритмы реализованы в программе Paper Model, для которой осуществляется процедура получения свидетельства об официальной регистрации.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на XIV, XV и XVI Всероссийской научно-технической конференции в п. Караваево (2013-2015 гг.), VI и VII Всероссийской конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья», г. Барнаул, 2014 и 2017 гг.; Второй Всероссийской научно-практической интернет-конференции с международным участием «Структура и физико-химические свойства целлюлоз и нанокомпозитов на их основе», г. Петрозаводск, 2016 г.; Международном семинаре «European Workshop on Lignocellulosics and Pulp», Autrans, France, 2016 г.; международном семинаре «Progress in Paper Physics», Darmstadt, Germany, 2016 г.; II, III и IV Международной научно-технической конференции памяти профессора В.И. Комарова «Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов», г. Архангельск, 2013, 2015 и 2017 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя: введение, аналитический обзор литературы, методическую часть, экспериментальную часть, включающую 4 раздела, общие выводы, библиографический список. Содержание работы
Макроструктура бумаги и методы ее оценки
Компьютерное моделирование структуры бумажного листа начало развиваться еще в начале 60-х годов, но основные разработки на протяжении долгого периода делались зарубежом [78]. В последние годы в РФ благодаря развитию и доступности компьютерных технологий тема создания модели бумаги также становится актуальной и востребованной. Самые ранние компьютерные модели были двумерные и состояли из прямых или кривых линий случайным образом распределенных на плоскости [79]. Следующим шагом в компьютерном моделировании двумерной волоконной сети были расчеты механических свойств получаемого полотна. Эти модели получались размещением центров волокон на прямоугольной плоскости либо случайным образом, л ибо с использованием заранее полученных правил флокуляции [80-81]. Волокна в 2D-моделях обычно представлялись в виде упруго-пластичных пересекающихся лучей, причем длинные волокна как простые лучи Бернулли [82], а короткие – с использованием модели Тимошенко [83]. Большинство двумерных моделей легко построить и удобно анализировать, но все они обладают подобными недостатками, основополагающий из которых это невозможность расчета толщины получаемого бумажного листа, от которой в той или иной мере зависят все свойства бумаги.
Следующим этапом развития моделирования структуры бумаги является создание трехмерной модели листа. Данные модели бумажного листа можно разделить на 2 основных типа – идеальные, к которым наиболее близки так называемые «ручные» отливки, созданные в лабораторных условиях; и реальные – на которые подействовали все процессы бумагообразования (напуск, прессование, сушка и т.д.) [84]. В моделях первого типа случайным образом генерируются прямые или криволинейные волокна внутри заданного объема либо на поверхности, наклады ваясь друг на друга [85-87]. Моделирование при этом происходит без учета гидродинамических эффектов.
Ряд зарубежных авторов представил модели второго типа, где формирование структуры бумажного полотна выполнено с учетом движения гидросуспензии [88-90]. Волокна целлюлозы моделируются в виде многозвеньевых цепей из жестких цилиндрических сегментов с круглым сечением, погруженных в Ньютоновскую жидкость. Волокна могут гнуться и крутиться в местах стыков сегментов. В данных работах были рассмотрены различные типы и перемещения данных жидкостей с учетом действий силы тяжести и внешнего давления. Модели обоих типов имеют свои преимущества и недостатки, которые далее будут рассмотрены подробнее в последних и наиболее приближенных к реальным бумажным листам разработках.
Начиная с 1980-х годов, широко используемым методом для исследования поверхности и поперечных сечений образцов стала сканирующая электронная микроскопия (SEM). С помощью SEM возможно определение таких параметров, как пористость и размер поры. Этот подход породил 2 новых метода: метод ртутной порометрии и метод, основанный на алгоритме водораздела [91].
Метод ртутной порометрии (МРП) заключается во введении капель ртути в образец и позволяет детально проанализировать свойства образца и факторы, влияющие на них. Но как показал опыт, экспериментальное использование этого метода не является точным, поэтому было решено применить рентгеновскую томографию для создания 3D-скелета образца, на который можно тем или иным образом воздействовать с помощью программного компьютерного преобразования.
Результатом применения метода алгоритма водораздела является то, что каждая отдельная пора отделяется от соседних отдельных пор посредством сужения или сдавливания в поровом пространстве. Технология сужения аналогичная технологии поровых отверстий [92].
Еще один метод для создания 3-мерных структур – это рентгеновская томография. Компьютеризированная рентгеновская микро-томография (CXT) является относительно новым методом для эффективного 3D анализа структуры гетероген ных материалов. Томографическое изображение образцов, основанное на источниках синхротронного излучения, используется как материал исследований более десяти лет. В последние годы стали доступны настольные томографические сканеры, использующие рентгеновские трубы, способные работать в субмикро диапазоне. Пример отсканированного 3D образца изображен на рисунке 1.6.
Такие изображения могут быть использованы непосредственно для определения границ различных материалов, содержащихся в образце, при условии, что разница их плотностей достаточно высока. Примером применения данной технологии является нахождение распределения примесей на минеральной основе в используемых материалах, изготовленных из пластмассы. Микротомографическое изображение, полученное с помощью рентгеновского излучения, вместе со сложными методами анализа дает мощный инструмент для изучения различных свойств неоднородных материалов на основе реальной микро-масштабной структуры [93, 94].
Одним из ярких примеров использования рентгеновской томографии для создания волокнистой структуры является разработка зарубежных коллег [95, 96], в которой раскрыт алгоритм создания 4D-изображений бумаги, получаемой при размоле с низкой концентрацией целлюлозного волокна. Моделирование заключается в трех основных этапах.
На первом этапе посредством создания многоступенчатой методологии сегментирования волокон хвойной беленой технической целлюлозы получают CXT-изображения высокого разрешения, на которых каждое волокно отделено от других и позволяет увидеть трещины и повреждения клеточной стенки. Представление изображений таким методом позволяет сохранить топологию поверхности исходных волокон и оценить их физические свойства.
Второй этап подразумевает моделирование поведения волоконной сети за счет создания модели из конечных элементов, основанной на реальных CXT-изображениях. При этом для различных серий экспериментов, отличающихся как по морфологическому, так и по фракционному составу, производится количественная оценка влияния геометрических характеристик волокон на индекс растяжимости.
На заключительном этапе создаются 4D изображения испытуемых образцов целлюлозы. Эти изображения показывают изменение получаемых 3D-моделей во время приложения нагрузки на растяжение (рисунок 1.7,а).
В работе H. Andra и др. [97] применяется аналогичный подход для получения модели волоконной сети для последующего ее анализа и предсказания бумаго-образующих свойств. Построение модели по этому алгоритму также протекает в три основных этапа: создание модели стохастической волоконной сетки на основе полученных рентгеновских снимков и определенных свойств как волокон, так и бумажного полотна в целом (моделирование выполняется в программной оболочке GeoDict, рисунок1.7,б); определение точек пересечения смоделированных волокон и расчет основных свойств получаемой модели; сравнение рассчитанных значений с экспериментальными. Отличительным свойством данного метода является возможность прогнозирования механических свойств моделируемой бумаги.
Определение деформационных характеристик при растяжении
Как было показано в части 1 обзора литературы, не менее важным для изучения фундаментальным фактором является когезионная способность волокон, которая характеризуется силой межволоконных связей. Изменение межволоконных сил связи оказывает значительное влияние на деформационно-прочностные и многие другие свойства бумаги. Их определение заключается в установлении удельной силы связи на единицу поверхности. Для этого использовался метод Иванова С.Н. [29, 69], согласно которому силы связи определяются по уравнению: Fp Fсв = , (2.6) bc где Fp – разрушающее усилие, Н; b – ширина образца, мм; c – ширина площадки контакта, мм.
Для испытания использовались двойные отливки, которые складывались из двух обычных отливок во влажном состоянии, сделанных также на листоотливном аппарате «РАПИД-Кетен» BBS-2 Estanit [129], массой 100 г/м2. Между этими отливками еще до проведения сушки на определенном расстоянии располагали нитки, как показано на рисунке 2.4,а. После этого двойную отливку высушивали в сушильной камере аппарата и взвешивали. Из полученных отливок нарезались по 10 образцов размером 5015 мм, над которыми производился ряд последовательных операций: освобождение от ниток, измерение толщины и массы; расслаивание с закреплением середины образцов с помощью пинцета шириной c, мм (ширина площадки контакта). Затем каждый из полученных образцов испытывали на разрывной машине ТЕСТСИСТЕМА 101 [136] и получали значение усилия Fp, при котором происходит разделение образцов (рисунок 2.4,б).
Конечное значение межволоконных сил связи определяли, как среднее арифметическое результатов десяти измерений. а б
Следующим рассмотренным фундаментальным фактором является собственная прочность волокна, которая устанавливалась с помощью прибора The Pulmac Zero-Span Tensile Tester Model ZS1000-B3 (рисунок 2.5), предназначенного для определения сопротивления разрыву при нулевом зазоре [22, 137].
Масса 1 м2 образцов 60 г/м2 Испытание проводилось при начальном зазоре между зажимами равным 0 мм. Образец (полоска) кладется на упоры прибора таким образом, чтобы он простирался за заднюю часть зажимов, которые изначально подняты над упорами. Испытание начинается после нажатия кнопки «RUN» на панели прибора. При этом система прижимных цилиндров и рычагов, двигающихся за счет рабочего воздуха, вызывает опускание зажимов и прижатие полоски к упорам. После этого в работу включается рабочий цилиндр, который посредством поршня и «качающегося» зажима придает растягивающую нагрузку на образец вплоть до его разрыва (падения давления «качающегося» зажима). Затем зажимы системы возвращаются в исходное положение. Максимальное значение приложенного давления P0 выводится на дисплей в Н/см [138]. Для перевода из единиц измерения Н/см в км пользовались следующей формулой: P0 b L0 = , (2.7) 100 где b – ширина активной площадки, мм. Конечным результатом является среднее арифметическое из 10 параллельных испытаний образцов.
Неоднородность формования структуры при изготовлении бумаги оказывает значительное влияние на бумагообразующие свойства и является необходимым фактором при получении комплексной характеристики структуры получаемого листа. Для количественной оценки неоднородности использовался анализатор формования PTA-Line Formation Tester [139]. Внешний вид прибора показан на рисунке 2.6,а.
Образец для испытания помещается в область измерения. После нажатия на кнопку «пуск», образец освещается с помощью стробоскопа, установленного в анализаторе. С помощью CCD камеры получаются изображения зоны измерения высокой четкости. С целью доведения получаемой картинки до серых оттенков автоматически производится постоянная регулировка интенсивности света, что позволяет сравнивать образцы с разной плотностью и непрозрачностью. Сделанный снимок отображается на сенсорном экране, на котором также можно увидеть зна-56
чения размеров флоккул и индекса формования, вычисленные методами частотного Фурье-анализа (рисунок 2.6,б). Снимки отливок сохраняются в памяти анализатора и могут быть извлечены для дальнейшего анализа.
На экране отображаются и могут быть также сохранены в памяти анализато ра параметры: - индекс формования Iф, характеризующий сумму интенсивности колебаний неоднородности яркости пикселей; - средний размер флоккул в направлении осей ОХ и ОУ Lx и Ly, мм; - средний угол ориентации флоккул ; - характеристика распределения флоккул с размерами 1, 2, 3, 6, 10 и 16 мм.
Эластичность волокна характеризуется отношением обратимого удлинения к общему. Важной характеристикой эксплуатационной ценности волокна является величина и характер удлинения при приложении различных нагрузок. Чем больше нагрузка, при которой происходят только обратимые удлинения, тем выше, как правило, эксплуатационная ценность волокна и получаемых из него изделий [140]. Волокна с низкой собственной прочностью могут обладать высокой эластичностью, и, наоборот, при больших собственной прочности волокно может быть мало эластичным. Поэтому необходимо делать различие между этими показателями [141].
С целью определения максимальной эластичности волокон использовался тестер L&W TSO SE 150 [142, 143]. Данный прибор является одним из современных инструментов для определения таких параметров, как: направление максимальной эластичности волокон (tensile stiffness orientation, далее TSO) и индекс жесткости при растяжении (tensile stiffness index, далее TSI) на основе ультразвуковых измерений. Изображение прибора показано на рисунке 2.7.
Анализ изменения фундаментальных (по Кларку) свойств волокна с различным содержанием лигнина в процессе размола
Значения в таблице 3.1 были получены при четырех различных степенях помола (после стадии роспуска волокна, 20 ШР, 30 ШР,60 ШР) и для всех шести видов рассмотренных полуфабрикатов.
Для определения средней длины волокна 1ср использовался автоматический анализатор волокна Fiber Tester, принцип действия которого описан в пункте 2.1 методической части диссертации. Данный прибор позволил измерить структурно-морфологические характеристики 20000 волокон каждого из рассматриваемых полуфабрикатов. С помощью специального программного обеспечения [153] была проведена оценка полученных данных и вычислены среднеарифметическая, средневзвешенная и среднемассовая длины волокон для каждого вида целлюлозы. Как было сказано в пункте 1.1.1 обзора литературы, для определения средней длины волокна наиболее подходящим методом, несущим за собой меньшую погрешность, является определение средневзвешенной длины волокна. В связи с этим для анализа изменения фундаментальных свойств берется именно этот показатель.
В качестве показателя, характеризующего когезионную способность волокон, использовались межволоконные силы связи по Иванову Fce, МПа, которые обусловлены силами водородных связей, Ван-дер-Ваальса и силами трения. Определение межволоконных сил связи по Иванову было рассмотрено в пункте 2.4 методической части.
В виду того, что способность к уплотнению во влажном состоянии характеризует возможность волокон сжиматься и образовывать плотный лист, она может быть оценена с помощью измерения плотности готовых отливок, , г/см3, определение которой раскрывается в пункте 2.3 методической части. Данный фактор зависит от таких параметров, как: толщина стенок волокон, гибкость волокон, их внутренняя и внешняя структура. Плотность получаемых отливок оказывает значительное влияние на деформационно-прочностные свойства листа и является одним из необходимых параметров для характеристики как микро-, так и макроструктуры бумаги.
Для характеристики собственной прочности волокон использовалось значение параметра нулевой разрывной длины L0, км, определение которого косвенным методом описано в пункте 2.5. Для проведения комплексного анализа изменения фундаментальных свойств волокон с различным содержанием лигнина в процессе размола удобно пользоваться их относительными значениями, при которых за 100 % принимается значения для неразмолотого состояния волокон (после разволокнения в дезинтеграторе), рисунок 3.1.
Полученные графики позволяют проследить влияние делигнификации и степени помола на рассмотренные фундаментальные свойства. Из рисунка 3.1,а можно проследить преобладающее влияние механического фактора, и, как следствие, общую тенденцию к снижению средней длины волокна, которая для хвойной целлюлозы проявляет более выраженный характер (уменьшение до 40 %), а для лиственной является незначительной (уменьшение до 7 %). Данный аспект связан непосредственно с длиной и строением волокон исходного сырья. Волокна хвойной целлюлозы, как показывают экспериментальные данные, в два раза длиннее и имеют ленточное строение. Эти факторы ведут к более интенсивному и качественному размолу хвойных полуфабрикатов, волокна которых имеют больше взаимодействий с ножами размольной аппаратуры, в результате чего и происходит их большее укорачивание.
Межволоконные силы связи в намного большей степени подвергаются изменению в процессе размола, для различных видов полуфабрикатов они увеличиваются в 3-13 раз, причем большим возрастанием данного фактора обладают образцы ЛН и ЛБ. Такая разница значений вызвана химическим строением данных образцов, волокна которых имеют на своей поверхности намного большее количество свободных гемицеллюлозных комплексов, за счет которых в процессе размола образуется большее количество водородных связей и развитие межволоконных сил связи происходит в разы быстрее. Также необходимо заметить, что изменение данного фундаментального фактора для всех образцов целлюлозы имеет одинаковый характер – до 30 ШР происходит равномерный рост межволоконных сил связи, после 30 ШР скорость роста убывает.
Способность к уплотнению во влажном состоянии, выражающаяся в данном эксперименте плотностью образцов, закономерно возрастает для всех рассмотренных полуфабрикатов. Рост плотности изученных образцов (рисунок 3.1,в) связан с развитием поверхности волокон в процессе размола, что приводит к: приданию большей гибкости волокнам; а также внешней и внутренней фибрилляции, влекущих за собой развитие межволоконных сил связей и рост сил поверхностного натяжения при удалении воды из влажных волокон. В связи с тем, что при степени помола свыше 30 ШР наблюдается затухание скорости роста межволоконных сил связи, при преодолении этой точки также происходит закономерное убывание скорости роста плотности отливок. Также для обоих видов исходного сырья прослеживается влияние степени делигнификации. Лиственная полуцеллюлоза (ЛПЦ) имеет наименьшие значения плотности, по сравнению с ЛН и ЛБ, что связано с большим содержанием в ней остаточного лигнина, придающего жесткость волокнам и меньшую способность к фибриллированию. Для беленой хвойной целлюлозы (ХБ) при степени помола до 30 ШР наблюдаются большие значения плотности, чем у ХЖ и ХМ. При дальнейшем размоле образцы ХЖ и ХМ обладают лучшими показателями плотности, чем у образца ХБ, что вызвано более интенсивным развитием межволоконных сил связи данных видов целлюлозы.
В пределах до 30 ШР, происходит увеличение нулевой разрывной длины (собственная прочность волокна), что связано с интенсивным возрастанием межволоконных сил связи, влияние которых невозможно полностью исключить при проведении испытания с сухими образцами [154]. После прохождения точки 30 ШР происходит закономерное снижение данного фактора, связанное с ослаблением стенки волокна за счет преобладающего механического воздействия. Также необходимо отметить влияние степени делигнификации на нулевую разрывную длину, которое для лиственной целлюлозы проявляет себя аналогичным образом, как и у плотности отливок: ЛПЦ имеет меньшие значение чем ЛБ и ЛН. Это также связано с технологией производства ЛПЦ, а именно, применением химико-механической обработки (двойной горячий размол), которая является причиной потери базового уровня прочности волокон. В случае с хвойной целлюлозой наилучшие и более закономерные значения имеет небеленая целлюлоза с числом каппа 25,9.
Таким образом, в результате выполненной работы, показано закономерное влияние механического воздействия (степени помола) на рассмотренные фундаментальные свойства волокон, проявляющегося вне зависимости от вида и химического состава полуфабрикатов. Изменение глубины химического воздействия носит избирательное влияние на фундаментальные свойства, проявляясь в большей степени при оценке способности к уплотнению во влажном состоянии и собственной прочности волокна. Полученный набор данных в результате анализа позволит в дальнейшем определить их взаимосвязи с свойствами получаемой бумаги на следующих уровнях изучения (макроструктура, бумажный лист).
Установление законов распределения характеристик отдельных волокон промышленных волокнистых полуфабрикатов
Следующей задачей является расположение волокон в пространстве, то есть создание модели бумажного полотна. Моделирование выполняется на плоской поверхности, на которой последовательно располагаются волокна. Поверхность представляет собой участок квадратной формы с задаваемыми пользователем размерами, не превышающими 100 мм2 из-за ограничений по использованию памяти при выполнении моделирования. Волокна разбрасываются случайным образом по всей площади поверхности, при этом координаты их центров поддаются равномерному распределению, поскольку эффект флокуляции на образцах малых размеров не имеет существенного значения.
Характеристики волокон рассчитываются программно на основании полученных ранее вероятностно-статистических зависимостей и регрессионных моделей параметров распределения. Далее программа, используя рассчитанные характеристики, начинает последовательно создавать трехмерные волокна и укладывать их на плоскую поверхность. Первые непересекающиеся с другими волокна укладываются на плоскую поверхность по траектории, соответствующей рассчитанной кривой Безье.
В процессе моделирования, волокна все больше начинают формировать шероховатую поверхность, образующую развивающуюся сетку. Степень, с которой волокна изгибаются в z-направлении по этой поверхности определяется применением уже рассмотренного ранее алгоритма «катящегося шара» [106]. Изгиб волокна при его укладке на уже сформированную поверхность напрямую зависит от «радиуса шара», изменяя который, можно менять траекторию волокна в z-направлении.
При этом изначально подбирается такой радиус шара, чтобы плотность получаемого листа соответствовала неповрежденному состоянию исходной технической целлюлозы. С целью дальнейшего (при возрастании степени помола) определения значения «радиуса шара» применяется относительная величина плотности структуры листа , зависящая от степени помола и изменяющаяся в процентах. По 117 лучается, что чем больше плотность, тем меньше радиус шара и тем более гибкие получаются волокна.
Таким образом, каждый сегмент волокна подвергается операции изгиба согласно задаваемой жесткости волокон (исходя из плотности листа), и эта операция прекращается при выполнении одного из двух условий: 1) сегмент /+1 изогнулся на максимально допустимый угол относительно сегмента /; 2) массив данных, содержащий точки сегмента /, обладает общими элементами с массивом данных, определяющим элементы уже сформированной поверхности волокон.
Для реализации второго условия в программе происходит разбиение всей поверхности укладки на дискретную сетку точек, размерами 20002000, причем изначально каждой точке сетки присваивается нулевая z-координата. Моделируемые волокна с случайным распределением координат х,у их центров располагаются на определенном расстоянии от поверхности. Таким образом, каждая точка волокна получает определенные х -координаты в каждой точке дискретной сетки. После этого происходит прибавление расс читанных координат моделируемого волокна к координатам поверхности с учетом ее топологии и гибкости самого волокна.
С математической точки зрения происходит операция наращивания изображения А структурным элементом В, которая обозначается А Ф В и задается выражением: AB = \jAb (3.16) ЬєВ При осуществлении данной операции необходимо учитывать координаты центра каждого сегмента волокна, которые будут определять степень изогнутости ложащегося волокна на другие. Если центр сегмента волокна / приходится на пик топографии, т.е. расположен непосредственно над верхним волокном, то расположение сегментов /1 и /+1 и их центров определяется заданным радиусом «катящегося шара», но при этом анализируется их пересечение (касание) с поверхностью уже наложенных волокон. Если произошло касание волокна с поверхностью, то оно наращивается над этой поверхностью вне зависимости от того, изогнулось ли оно на необходимый радиус, заданный алгоритмом обработки.
Таким образом, укладывая друг на друга волокна, мы получаем 3-мерный массив данных дискретной сетки, который позволяет однозначно судить о количестве целлюлозных волокон в рассматриваемой области пространства и количестве пустот между ними. При задании постоянного числа сегментов в каждом волокне это позволяет просчитать количество точек пересечения сегментов волокон и вычислить свойства моделируемого бумажного полотна. Основные параметры модели вычисляются автоматически и выводятся сразу после ее генерации. Пример одного из участков смоделированного листа приведен на рисунке 3.22.
В двух предыдущих подразделах диссертации были описаны алгоритмы моделирования как отдельных волокон, так и бумажного листа в целом. В рамках данной работы был произведен перевод разработанных алгоритмов в программную среду и создание с помощью кроссплатформенного инструментария Qt отдельного программного обеспечения для построения модели бумажного листа под названием Paper Model. Для данного ПО было идет процедура получения свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ. Общий вид программы представлен на рисунке 3.23. Рисунок 3.23 – Общий вид программы PaperModel, предназначенной для создания моделей бумажного листа
Исходными данными для построения модели являются: - площадь поверхности моделирования (от 1 до 10 см2); - тип древесины исходного сырья (хвойная или лиственная); - степень делигнификации, характерная для трех основных точек (малое содержание остаточного лигнина, большое содержание и лигнин практически отсутствует); - степень помола моделируемого образца (от 15 до 60 ШР); - тип генерации (по количеству волокон или по массе 1 м2 моделируемого листа). Таким образом, представленный набор исходных данных, своеобразных регуляторов модели, предлагает пользователю обширный задаточный функционал для получения виртуального листа при различной степени химического и механического воздействия на исходный полуфабрикат. Причем любая создаваемая модель будет обладать собственными фундаментальными свойствами, физико 120 механическими и структурно-морфологическими характеристиками, определение которых производится как на основе получаемой модели, так и на основе выявленных ранее зависимостей.
Одним из основополагающих регуляторов модели является тип генерации, для которого возможны два варианта: по количеству волокон или по массе получаемого листа. При выборе первого варианта (задании n-го количества волокон) производится поочередное моделирование волокон от 1 до n и их размещение случайным образом на ровной поверхности, площадь которой также задается пользователем. В случае второго варианта генерация волокон происходит до тех пор, пока не будет достигнута масса 1 м2 листа в граммах. Для этого при моделировании каждого волокна производится расчет его массы в граммах и его суммирование к значению общей массы всех волокон, которая после этого делится на площадь заданной поверхности для укладки в м2. На рисунке 3.24 представлены примеры моделей, сгенерированных по количеству волокон, а на рисунке 3.25 – по массе 1 м2 листа.