Zmiany wytrzymałości papierów i wyrobów papierowych poddanych działaniu długotrwałego obciążenia

Transkrypt

1 Zmiany wytrzymałości papierów i wyrobów papierowych poddanych działaniu długotrwałego obciążenia Changes of paper and paper products strength under long-lasting load Włodzimierz Szewczyk, Monika Łapczyńska W zależności od przeznaczenia papiery i wyroby papierowe muszą spełniać określone wymagania. Papiery przeznaczone do produkcji opakowań powinny charakteryzować się wysoką wytrzymałością mechaniczną. Zależy ona od wielu czynników, wśród których znaczną role odgrywa czas oddziaływania obciążenia. Niniejszy artykuł przedstawia badania nad wpływem czasu działania obciążenia na zmiany wytrzymałości wybranych rodzajów papieru. Słowa kluczowe: wytrzymałość papieru, pełzanie, rozciąganie jednokierunkowe, czas obciążenia Paper and paper products must meet definite requirements according to their intended use. Papers for packaging purposes should have hihg mechanical strength. It depends on many factors and one of them is the duration of loading. In this article the influence of loading duration on tensile strength of selected paper grades is presented. Keywords: paper strength, creep, unidirectional tension, loading time Wprowadzenie W zależności od przeznaczenia papierów oraz wyrobów papierowych muszą one spełniać określone wymagania. Dla papierów stosowanych do produkcji opakowań decydującą rolę odgrywa wytrzymałość mechaniczna. Wytrzymałość ta zależy od wielu czynników i z tego powodu jej badania prowadzone są w ściśle określonych warunkach. Poza warunkami klimatycznymi i rozkładem obciążenia istotne znaczenie ma czas działania obciążenia. Jest to związane ze zmianami zachodzącymi we włóknistej strukturze papieru poddanego działaniu naprężeń, niezależnie od tego czy powodem ich są siły ściskające czy rozciągające. Ze względów praktycznych zagadnienie wpływu czasu działania obciążenia na odporność na nacisk statyczny było wielokrotnie badane dla pudeł tekturowych. Jednym z ich podstawowych zastosowań jest składowanie zapakowanych wyrobów w stosach zarówno podczas magazynowania jak i transportu. Zapotrzebowanie na takie badania wynika z problemów powstających podczas długotrwałego składowania pudeł, które często ulegają zniszczeniu w skutek nacisku pomimo, że ich obciążenie jest niższe od odporności na nacisk statyczny zmierzonej w warunkach laboratoryjnych. W konsekwencji nacisku wywieranego Dr hab. inż. W. Szewczyk, prof. PŁ, mgr inż. M. Łapczyńska, Instytut Papiernictwa i Poligrafii, Politechnika Łódzka PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 CZERWIEC

2 Rys. 1. Rozkład składowych odkształceń w funkcji całkowitego odkształcenia próbki oraz odkształcenia w chwili zerwania ε szr wydłużenie sprężyste, ε Lszr - wydłużenie lepko-sprężyste, ε plzr wydłużenie plastyczne (6) Rys. 2. Model Burgerasa ε s,- odkształcenia sprężyste, ε t - odkształcenia trwałe, ε ls - odkształcenia lepko-sprężyste, ε c - odkształcenie całkowite (7) przez ułożone piętrowo opakowania ściany pudeł znajdujących się na dole stosu mogą ulec wyboczeniu i załamaniu. Wskutek zniszczenia dolnego pudła stos może się przewrócić, co powoduje uszkodzenie zapakowanego wyrobu. Najczęściej badana jest odporność pudeł na nacisk statyczny przyłożony w kierunku ich wysokości, chociaż w niektórych przypadkach może być istotna wytrzymałość na obciążenia ściskające w przyłożone w kierunku wyznaczonym przez długość lub szerokość opakowania. Spadek wytrzymałości pudeł na zgniatanie, związany z wpływem czasu ich składowania w stosach został, między innymi, zbadany przez Stotta (1), Maltenforta (2) oraz Dagela i Brynhildsena (3). Wspomniani badacze opracowali wykresy obrazujące wpływ czasu składowania pudeł tekturowych na ich odporność na nacisk statyczny. Wyniki tych prac porównał Kubat (4). Pozwoliło to stwierdzić, że w zakresie czasów działania obciążenia do 100 dni zależność spadku odporności pudeł na nacisk statyczny od czasu działania obciążenia przedstawionego w skali logarytmicznej jest liniowa. Wyniki badań przeprowadzonych przez Kellicut a pozwoliły na wyciagnięcie podobnych wniosków (5). Opisana zależność między czasem działania obciążenia i wytrzymałością opakowań tekturowych wynika z właściwości materiału, z którego są wykonane. Papiery i tektury wykazują cechy ciał lepko-sprężystych, a ich trwałe odkształcenia zależą od czasu działania obciążenia. W literaturze można znaleźć wiele opracowań dotyczących zależności między naprężeniami i odkształceniami występującymi w papierach poddanych różnym rodzajom obciążeń. Brakuje jednak badań dotyczących zmian wytrzymałości papierów i tektur poddanych długotrwałemu działaniu obciążeń, powodujących trwałe zmiany w ich włóknistej strukturze. Powszechnie wiadomo, że w papierze występują trzy rodzaje odkształceń, trwałe, sprężyste i lepko-sprężyste, których suma stanowi odkształcenie całkowite. Tematyce tej poświęcono wiele prac, a wyniki jednej z nich (6) obrazuje rysunek 1, który przedstawia zmiany składowych odkształceń w funkcji całkowitego odkształcenia próbki. Autor, przedstawiając pokazany na rysunku rozkład odkształceń, prezentuje powszechny w praktyce przemysłowej pogląd, że w próbie rozciągania trwałe odkształcenia włóknistej struktury papieru powstają dopiero po przekroczeniu wartości 20% naprężeń zrywających. W rzeczywistości trwałe zmiany struktury powstają w całym zakresie naprężeń, nawet gdy ich wartości są bardzo małe. Jednak w takich przypadkach odkształcenia trwałe są bardzo małe i trudne do zarejestrowania chyba, że obciążenie działa przez długi czas. Zjawisko to można wyjaśnić wykorzystując czteroparametrowy model reologiczny Burgerasa. Model ten jest szeregowym połączeniem elementu Maxwella i Kelvina-Voigta (rys. 2). Model ten dobrze ilustruje podział poszczególnych rodzajów odkształceń, pozwalając na ich łatwe wyodrębnienie. Analizując zachowanie poszczególnych członów modelu można zauważyć, że niezależnie od poziomu naprężenia powstają wszystkie rodzaje odkształceń, a wartość odkształceń niesprężystych zależy nie tylko od wartości naprężeń, ale jest tym większa im dłuższy jest czas ich działania. 378 PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 CZERWIEC 2013

3 Zakładając, że o zmianie wytrzymałości papieru decydują zmiany zachodzące w jego strukturze, łatwo można wytłumaczyć związek pomiędzy czasem działania obciążenia i spadkiem wytrzymałości papieru. Metodyka i zakres badań W celu opisania wpływu czasu działania obciążenia na wytrzymałość papieru na rozciąganie w jednokierunkowym stanie naprężeń, przeprowadzono badania obejmujące: wyznaczenie wytrzymałości na rozciąganie w kierunku maszynowym i poprzecznym, wykonując pomiary ze stałą prędkością rozciągania 20 mm/min., wyznaczenie czasu zerwania papierów rozciąganych w kierunku maszynowym i poprzecznym w próbach pełzania przy różnych poziomach obciążeń, w zakresie od 60% do 95% siły zrywającej. Badania, których czas trwania nie przekraczał 24 godzin (zakres obciążeń od 95% do 85% siły zrywającej) zostały wykonane na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej Zwick. Dla obciążeń w zakresie od 80% do 60% siły zrywającej pomiary wykonano za pomocą przyrządu pokazanego na rysunku 3. Przyrząd składa się z metalowego stojaka, dwóch uchwytów do mocowania próbki, haczyków do zawieszania uchwytów, szalki oraz obciążników. Dla każdego poziomu obciążeń odważane były odpowiednie ciężarki z dokładnością do 0,001 g. Czas, po jakim następowało zerwanie badanych papierów, określany był na podstawie rejestracji przebiegu prób, dokonywanej za pomocą kamery. Na podstawie przeprowadzonych badań określono zależności między czasem działania naprężenia o stałej wartości a wytrzymałością papieru na rozciąganie. Pomiary zostały wykonane dla czterech papierów oznaczonych następująco: P1 papier na warstwę płaską tektury falistej, 135 g/m 2, P2 papier na warstwę pofalowaną tektury falistej, 125 g/m 2, P3 kalka techniczna, 65 g/m 2, P4 papier do druku offsetowego Amber, 90 g/m 2. Próbki użyte do badań miały szerokość 15 mm i długość wpięcia 180 mm. Przed wykonaniem każdego pomiaru próbki papierów były klimatyzowane w pomieszczeniu klimatycznym w znormalizowanych warunkach. Badania przeprowadzono w tych samych, stałych warunkach klimatycznych, w temperaturze 23 C ±1 C i wilgotności względnej powietrza 50% ± 2%. Wyniki badań dla każdego papieru, kierunku rozciagania i poziomu naprężeń podano jako wartości średnie z dziesięciu pomiarów. Wyniki Pomimo że materiały użyte do badań były wybierane w ten sposób, że do pomiarów wybierano próbki o najmniejszym, możliwym do wyselekcjonowania, rozrzucie gramatur, to dla wysokich poziomów naprężeń uzyskiwano znacznie różniące się czasy zerwania. Dla każdego ze zbadanych papierów, na podstawie wyników pomiarów, określono zależność między czasem, Rys. 3. Przyrząd do prób pełzania 1-rama metalowa, 2-uchwyt, 3- szalka, 4- obciążnik po jakim następowało zniszczenie próbki poddanej niezmiennemu obciążeniu a wartością tego obciążenia. Wartość obciążenia przedstawiono jako procent obciążenia zrywającego uzyskanego w próbie rozciągania z prędkością 20 mm/m. Przykładowa zależność spadku wartości siły zrywającej od czasu działania obciążenia uzyskana dla papieru P1, kierunku MD, została pokazana na rysunku 4. Ze względu na duże zmiany wytrzymałości w początkowym okresie działania obciążenia na rysunkach 5-18, ilustrujących wyniki badań uzyskane dla wszystkich papierów, czas jest pokazany w skali logarytmicznej. Rys. 4. Zmiany siły zrywającej w zależności od czasu działania obciążenia w próbie pełzania dla papieru P1 w kierunku MD PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 CZERWIEC

4 Rys. 5. Zmiany siły zrywającej w zależności od czasu działania obciążenia w próbie pełzania dla papieru P1 w kierunku MD Rys. 8. Zmiany siły zrywającej w zależności od czasu działania obciążenia w próbie pełzania dla papieru P2 w kierunku CD Rys. 6. Zmiany siły zrywającej w zależności od czasu działania obciążenia w próbie pełzania dla papieru P1 w kierunku CD Rys. 9. Zmiany siły zrywającej w zależności od czasu działania obciążenia w próbie pełzania dla papieru P3 w kierunku MD Rys. 7. Zmiany siły zrywającej w zależności od czasu działania obciążenia w próbie pełzania dla papieru P2 w kierunku MD Rys. 10. Zmiany siły zrywającej w zależności od czasu działania obciążenia w próbie pełzania dla papieru P3 w kierunku CD Analiza wyników Duże rozrzuty wyników pomiarów uzyskane dla wysokich poziomów naprężeń można wytłumaczyć znacznym spadkiem wytrzymałości papieru w zakresie wysokich poziomów naprężeń i krótkich czasów ich oddziaływania. Niejednorodność papierów, a tym samym duże rozrzuty wytrzymałości próbek pobranych z jednego arkusza powodują, że założona wartość naprężenia zrywającego, określona jako wartość średnia z serii pomiarów, może znacznie odbiegać od wytrzymałości badanej próbki. Powoduje to, że w rzeczywistości obciążenie próbki jest znacznie większe lub znacznie mniejsze od założonej procentowej wartości jej rzeczywistego obciążenia zrywającego. Wpływ niejednorodno- 380 PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 CZERWIEC 2013

5 Rys. 11. Zmian siły zrywającej w zależności od czasu działania obciążenia w próbie pełzania dla papieru P4 w kierunku MD Rys. 14. Zmiany siły zrywającej w zależności od czasu działania obciążenia w próbie pełzania dla wszystkich papierów w kierunku CD Rys. 12. Zmiany siły zrywającej w zależności od czasu działania obciążenia w próbie pełzania dla papieru P4 w kierunku CD Rys. 15. Zmiany siły zrywającej w zależności od czasu działania obciążenia w próbie pełzania dla papieru P1 w kierunku CD i MD Rys. 13. Zmiany siły zrywającej w zależności od czasu działania obciążenia w próbie pełzania dla wszystkich papierów w kierunku MD ści papieru na wyniki pomiarów zmniejsza się wraz ze spadkiem poziomu naprężeń. We wszystkich zbadanych przypadkach zarówno dla kierunku maszynowego jak i poprzecznego, uzyskano podobny charakter zależności wytrzymałości na rozciąganie w funkcji czasu działania obciążenia. Rys. 16. Zmiany siły zrywającej w zależności od czasu działania obciążenia w próbie pełzania dla papieru P2 w kierunku CD i MD Bardzo zbliżone do siebie zależności uzyskano dla papierów przeznaczonych do produkcji opakowań P1 i P2. Jak pokazują wykresy zależności zmiany wartości siły zrywania od czasu działania obciążenia (rys. 15, rys. 16), spadek wytrzymałości tych papierów wywołany wzrostem czasu działania obciążenia jest PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 CZERWIEC

6 Rys. 17. Zmiany siły zrywającej w zależności od czasu działania obciążenia w próbie pełzania dla papieru P3 w kierunku CD i MD Rys. 18. Zmiany siły zrywającej w zależności od czasu działania obciążenia w próbie pełzania dla papieru P4 w kierunku CD i MD podobny, a podobieństwo to występuje zarówno przy rozciąganiu w kierunku maszynowym jak i poprzecznym. Dla papierów P1 i P2 w kierunku MD, gdy wartość obciążenia stanowi 75% siły zrywającej, zerwanie następuje po upływie około godziny. Natomiast dla kierunku CD, przy obciążenia stanowiącym 75% siły zrywającej, zerwanie następuje po upływie ponad 14 godzin. Wartości czasu działania obciążenia dla pozostałych papierów, na które oddziałuje obciążenie równe 75% siły zrywającej są mniejsze i wynoszą od 11 do 37 minut dla kierunku MD oraz do ponad 1700 minut dla kierunku CD. Analiza otrzymanych wyników wykazała, że zależność wytrzymałości papieru na rozciąganie od czasu działania obciążenia pokazanego w skali logarytmicznej ma charakter liniowy, bez względu na jego strukturę. Dla takich samych poziomów naprężeń, wyrażonych jako procent siły zrywającej zmierzonej w próbie rozciągania, czasy pełzania do chwili zerwania próbki są większe w kierunku poprzecznym niż w maszynowym papieru. Wyjątek stanowi kalka techniczna, dla której odnotowano odwrotną zależność. W przypadku kalki wartości odkształcenia w chwili zerwania przy określonym poziomie naprężenia zrywającego są podobne dla obu kierunków. Pozostałe zbadane papiery charakteryzują się dużą anizotropią odkształceń uzyskiwanych w chwili zerwania próbek wyciętych w kierunku maszynowym i poprzecznym. Porównując wartości anizotropii wytrzymałości na zrywanie w kierunku maszynowym i poprzecznym poszczególnych papierów po tym samym czasie działania obciążenia stwierdzono, że najmniejszą wartość współczynnika anizotropii (1, 3) uzyskano dla papieru do druku P4. Wytrzymałość pozostałych papierów na rozciąganie w kierunku maszynowym była ok. dwukrotnie wyższa od wytrzymałości w kierunku poprzecznym. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że procentowe zmiany wytrzymałości papieru na rozciąganie w funkcji czasu działania obciążenia są podobne do procentowych zmian odporności pudeł składowanych w stosach na nacisk statyczny. Dla wszystkich papierów w obu kierunkach, wytrzymałość na rozciąganie w próbach pełzania maleje wraz ze wzrostem czasu działania obciążenia. Przebieg zależności wytrzymałości papieru od czasu działania obciążenia pokazanego w skali logarytmicznej ma charakter liniowy. Dla papierów pakowych (P1, P2) zależność spadku wytrzymałości na rozciąganie od czasu działania obciążenia jest podobna, a podobieństwo występuje zarówno przy rozciąganiu w kierunku poprzecznym jak i maszynowym. Najniższą anizotropię wytrzymałości na rozciąganie w kierunku wzdłużnym i poprzecznym wykazuje papier do druku. Pozostałe zbadane papiery wykazują podobną anizotropię wytrzymałości w kierunku wzdłużnym i poprzecznym. LITERATURA 1. Stott R.A.: APPITA 13, 2, 84 (1959). 2. Maltenford G.: Fibre Cont. 44, 9, 72 (1959). 3. Dage Y., Brynhildsen H. D.: Svensk. Pap. Tind. 62, 5, 77 (1959). 4. Kubat J.: Badania wytrzymałości na zginanie pudeł z tektury falistej i litej, Przegl. Papiern. 17, 370 (1961). 5. Kellicutt, K.G.: Fibre Cont. 44, 5, s. 65 (1959). 6. Skowroński J., Szwarcsztajn E.: Badanie lepko-sprężysto-plastycznych właściwości papieru, Przegl. Papiern. 35, 7, 233 (1979). 7. Stera S.: Wpływ procesu wykańczania na użytkowe oraz strukturalno-reologiczne własności papieru workowego, Praca habilitacyjna, Wydawnictwo PŁ, Łódź Artykuł recenzowany 382 PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 CZERWIEC 2013