木浆纤维特性与纸页抗张强度关系的数学模型研究

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纸是由植物纤维随机构建的网状结构材料,其强度性能决定于所用纤维的种类及其性能。纤维的性能主要包括纤维长度、粗度、宽度、卷曲指数、扭结指数、细小纤维含量、纤维本身的强度、纤维间的结合强度及纤维间的相对结合面积等。基于这些参数,国内外学者建立和发展了纸页的抗张强度模型,Page认为纤维本身的强度和纤维间的结合是纸页抗张强度的两个主要来源,并提出了Page方程,即Page模型,该模型得到了最广泛的应用。然而,模型中存在的一些参数,难以通过实验仪器直接测量,如纤维间的相对结合面积。上述纤维特性中,纤维的柔顺系数和浆料的保水值对纸页的抗张强度的影响常常被忽略了。在本研究中,以化学浆和热磨机械浆为研究对象,在Page模型的基础上进行改进,即采用纤维的柔顺系数和浆料的保水值来代替纤维间相对结合面积,建立纸页的抗张强度模型,并采用Minitab统计分析软件进行拟合分析,以期为制浆造纸的实际生产提供理论指导。纤维的长度主要有纤维重均长度、数均长度和二重重均长度。在本研究中,分别探讨了纤维重均长度和数均长度对纸页抗张强度的影响,并进行回归分析计算。结果表明,前者对纸页抗张强度影响的相关系数R2大于后者。本研究中,纤维本身强度、纤维间的结合强度分别以纸页的零距离抗张强度、层间结合强度表示,并对纸页抗张强度的影响进行分析。研究发现,无论是化学浆还是热磨机械浆纤维所抄造的纸页的抗张强度均来自纤维间的结合强度,这也说明在纸页发生断裂处,主要是纤维被抽出而不是被拉断。在Page模型的两种方式的改进中,当采用纤维的柔顺系数和浆料的保水值代替纤维间相对结合面积时,对于化学浆抄造的纸页而言,模型的预测值和测试值的相关系数分别是0.61和0.87,未达到统计学上的显著性;而对于热磨机械浆所抄造的纸页而言,只有当采用浆料的保水值来代替时,模型的预测值和测试值的相关系数是0.92,模型的数学表达式为:1/T:0.215-1.470·(Cw+1)/lwWRV。以不同树种的化学浆纤维为建模样本,基于纸页的抗张强度与伸长率受共同因素影响的假设前提下,受Shallhorn-Gurganal提出的抗张能量吸收模型到启发,建立了一系列的化学浆纤维对纸页抗张强度预测的数学模型。比较所建立的模型,模型T=m·Sa·Cwb的预测值与测试值的相关系数R2为0.91,在引入纤维重均长度伽这一参数后得到模型T=m1·Cwa1·Sb1·lwc1,该模型的预测值与测试值的相关系数R2为0.90。模型T=m2·sa2·WRVb2·lwc2与T=m3·WRVa3·sb3·lwc3·kd的预测值与测试值的相关系数R2分别是0.95和0.96,二者接近。但模型T=m2·sa2·WRVb2·lwc2减少了纤维扭结指数尼这一参数,形式更加简单明了,其数学表达式为:T=7.91×10-3·s0.76·WRV1.62·lw0.17,其中纸页伸长率(s)采用模型s=n·WRVα·kβ表示,其数学表达式为:s=0.399·k-1.06·WRV1.84。
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