Использование сульфата алюминия для повышения деформационных характеристик бумагоподобных материалов из минеральных волокон

УДК 676.2.036

В.К. Дубовый, Я.В. Казаков

Казаков Яков Владимирович родился в 1966 г., окончил в 1990 г. Архангельский лесотехнический институт, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства Архангельского государственного технического университета. Имеет более 50 научных трудов в области деформативности и прочности целлюлозно-бумажных материалов.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СУЛЬФАТА АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БУМАГОПОДОБНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОЛОКОН

Сопоставлены деформационные характеристики листовых минеральных волокон, изготовленных при использовании 20...80 % минерального связующего. Показано, что введение связующего не только повышает значения деформационных и прочностных характеристик, но и влияет на характер деформирования листового материала при растяжении; установлено, что материал становится более прочным и более жестким, при этом снижается его растяжимость.

Ключевые слова: минеральные волокна, связующее, стекловолокно, каолин, базальт, деформация, прочность.

Материалы из минеральных волокон, изготовленные традиционным бумагоделательным способом, используют в качестве фильтровальных, тепло- и шумоизоляционных материалов, для работы при повышенной температуре, в кислых и щелочных средах. Однако, в отличие от целлюлозных материалов, они не обладают способностью к образованию достаточно прочных межволоконных связей, их механическая прочность невелика. Поэтому при разработке технологии бумагоподобных материалов из минеральных волокон используют различные упрочняющие добавки, в частности соединения алюминия. Теоретические представления о механизме упрочняющего действия соединений алюминия в целлюлозных материалах позволяют предположить, что аналогичные механизмы вполне работоспособны и для некоторых видов минеральных волокон. Как таковой, сульфат алюминия связующим не является, а упрочняющее действие проявляют продукты, образующиеся в результате его гидролиза и активного регулирования рН с помощью щелочи. Можно предположить, что полиядерные ацидокомплексы алюминия способны вовлекать в свою структуру различные анионы, в том числе и гидроксилы, расположенные на поверхности минеральных волокон.

Испытания проведены на образцах стеклянных волокон с диаметром 0,2 и 0,7 мкм, а также каолиновых и базальтовых волокон. Масса отливок составляла 25 и 50 г/м2. Расход связующего (сульфат алюминия в пересчете на А1203) составлял 20, 40, 60 и 80 %. Отлив осуществляли при рН 7,0.7,5. Результаты эксперимента представлены в таблице.

Результаты механических испытаний отливок из стеклянных, каолиновых и базальтовых волокон с различным количеством связующего

Расход связующего, % 8, мм 1 тах Н А/ £ршах G,max, кПа Е1, МПа Асбщ л Анагр л Аразгр ТЕАсбщ ТЕА ТЕА нагр ТЕА ТЕАразгр

мм мДж Дж/м2

0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 0 20 102 0,413 1,699 0,342 ^теклс 0,085 воДок 0,017 но ди 0,107 аметр 8,36 см 0,2 0,347 мкм 0,077 0,271 434 1124 2652 110 503 1316 338 620 1337

193 104 0,659 3,363 2,166 1,139 0,945 0,569 0,108 0,057 0,047 0,028 0,088 0,813 3,89 61,6 0,899 2,122 0,402 1,053 0,496 1,069

228 111 8,391 4,752 0,809 0,559 0,243 0,196 0,040 0,028 0,012 0,010 0,939 1,100 167,8 208,2 4,211 1,481 1,494 0,538 2,717 0,943 5263 1851 1867 673 1922 504 1819 777 1964 89 324 61 419 87 656 213 635 365 1147 11 61 35 169 3396 1179

220 172 9,988 3,792 0,577 0,533 0,231 0,187 0,029 0,027 0,012 0,009 1,160 0,559 265,1 85,3 3,202 1,009 1,537 0,403 1,665 0,607 4003 1262 2081 758 2025 962 2597 225 508 226 993 203 1400 791 2462 911 2320 104 88 75 388

211 95 206 109 9,304 5,114 0,707 0,614 0,354 0,276 0,035 0,031 0,018 0,014 1,107 1,355 111,6 173,2 3,076 1,391 1,455 0,622 1,620 0,769 3844 1739

11,86 0,163 0,651 2,445 0,293 0,519 0,033 текло 0,122 0,015 воДок 0,026 1,484 но ди 0,040 159,8 аметр 2,03 3,649 см 0,7 0,251 1,572 мкм 0,071 2,078 0,180 4562 314 832 287 1413 291 2056 1004

208 81 179 107 0,369 0,192 2,840 1,824 0,934 0,274 0,142 0,091 0,047 0,014 0,045 0,061 1,84 1,82 0,666 0,229 0,259 0,049 0,407 0,181

0,976 0,234 2,046 1,526 0,716 0,382 0,102 0,076 0,036 0,019 0,138 0,055 7,12 4,24 1,130 0,233 0,335 0,070 0,795 0,163

255 86 164 91 171 180 1,885 2,034 1,575 0,775 0,551 0,194 0,079 0,039 0,028 0,010 0,193 0,621 15,37 110,9 1,645 0,804 0,525 0,171 1,120 0,633

6,505 1,659 0,734 1,084 0,183 0,325 0,037 0,054 0,009 0,016 1,062 0,503 214,8 48,8 2,477 1,021 0,508 0,292 1,969 0,729 3097 1276

6,606 0,048 0,814 2,786 0,285 Кас 0,279 0,041 ДИНС! 0,139 0,014 ое воД 0,014 0,993 окно 0,007 118,3 диаме 0,27 2,773 трем 0,093 0,918 1,9 мк 0,009 1,856 м 0,084 3466 116 149 111 557

191 189 0,081 0,126 2,408 1.376 0,450 0,344 0,120 0,069 0,023 0,017 0,012 0,017 0,74 1,32 0,119 0,089 0,049 0,028 0,071 0,060

229 0,729 1,022 0,306 0,051 0,015 0,081 8,65 0,446 0,135 0,311

Окончание табл.

Расход связующего, % S, мм F 1 max Н М ^lFmax ^Fmax кПа Е1, МПа Аобщ 4 Анагр 4 Аразгр ТЕАобщ ТЕАнагр TFA ТЕАразгр

мм мДж Дж/м2

40 60 80 0 20 40 60 80 188 0,161 1,216 0,304 0,061 0,015 0,023 2,34 0,113 0,033 0,080 142 475 139 420 114 1629 547 753 974 2142 2005 41 160 13 137 15 656 150 283 409 649 833 1462 1020 101 315 126 283 99 973 397 470 565 1493 1172

197 215 0,955 0,135 0,769 1,807 0,269 0,090 0,038 0,090 0,013 0,005 0,123 0,016 22,93 0,90 0,380 0,111 0,128 0,011 0,252 0,101

254 139 0,600 0,148 1,062 0,997 0,372 0,100 0,053 0,050 0,019 0,005 0,060 0,029 6,96 2,35 0,336 0,091 0,110 0,012 0,226 0,079

256 115 3,002 0,701 0,776 1,222 0,311 База 0,391 0,039 ШЪто! 0,061 0,016 ое во 0,020 0,313 локно 0,171 29,65 диаме 18,95 1,303 гром 0,437 0,525 ,1 мк 0,120 0,779 м 0,317

172 123 0,492 2,023 2,242 0,751 0,853 0,338 0,112 0,038 0,043 0,017 0,073 0,302 3,63 30,39 0,603 0,780 0,227 0,327 0,376 0,453

171 91 155 121 4,130 6,740 0,789 0,553 0,237 0,221 0,039 0,028 0,012 0,011 0,612 1,911 75,89 348,54 1,714 1,604 0,519 0,666 1,195 0,938

13,513 9,219 0,570 0,477 0,199 0,191 0,028 0,024 0,010 0,010 2,291 2,109 334,18 361,36 2,837 2,208 1,170 0,816 1,667 1,392 3546 2760 2084 1740

261 92 128 15,079 4,587 0,534 0,517 0,213 0,181 0,027 0,026 0,011 0,009 1,495 1,320 241,08 228,03 3,218 0,993 1,579 0,356 1,639 0,637 4022 1241 1974 445 1346 2048 796 2104

12,061 0,479 0,192 0,024 0,010 2,891 435,80 2,760 1,077 1,683 3450

Примечание. 1.8- толщина образца, мкм; F - нагрузка, Н; АI - удлинение до

разрыва, мм; А1Ртах - удлинение до максимальной нагрузки, мм; s - деформация разрушения, %; с,- деформация при максимальной нагрузке, %; а - напряжение, МПа; Ei - начальный модуль упругости, МПа; - общая работа раз-

рушения, мДж; Анагр - работа до максимальной нагрузки, мДж; Аразгр - работа после максимальной нагрузки, мДж; ТЕА - общая энергия, поглощаемая при растяжении, Дж/м2; ТЕАнагр - энергия, поглощаемая до максимальной нагрузки, Дж/м2; ТЕАразгр - энергия, поглощаемая после максимальной нагрузки, Дж/м2. 2. В числителе приведены данные для отливок массой 25 г/м2, в знаменателе - 50

г/м2.

Введение связующего не только улучшает деформационные и прочностные характеристики, но и влияет на характер деформирования листового материала при растяжении. На рис. 1, 2 представлены кривые зависимости напряжение-деформация для образцов из минеральных волокон с различным количеством связующего. Обнаружено, что материал становится не только более прочным, но и более жестким, что сопровождается снижением его растяжимости - максимум на кривых сдвигается к началу оси деформации.

При растяжении волокнистого материала со связующим рост жесткости структуры и ее реакцию на приложение нагрузки обеспечивают межволоконные силы связи. Это четко прослеживается на кривых напряжение-деформация: более крутой участок на ветви нагружения соответствует образцам с большим количеством связующего. У большинства образцов кривые после достижения точки максимума похожи по длине и наклону и ха-

рактеризуют сопротивление волокон растаскиванию в условиях разрушенных межволоконных контактов.

О 0,02 0,04 0,06 0,08 1,0 е 0 0,02 0,04 0,06 0,08 1,0 е

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 е 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 £

Рис. 1. Зависимость напряжение-деформация для образцов листовых материалов из минеральных волокон массой 25 г/м2 с различным количеством связующего: 1 - 0 %; 2 - 20; 3 - 40; 4 - 60; 5 - 80 %; а - стекловолокно 0,2 мкм; б - стекловолокно 0,7 мкм; в - каолин; г - базальт

Рис. 2. Зависимость напряжение-деформация для образцов листовых мате-

риалов из минеральных волокон массой 50 г/м2 с различным количеством связующего

Упрочняющий эффект от введения связующего для различных материалов проявляется в различной степени. Так, для отливок массой 25 г/м2 из стекловолокна диаметром 0,2 мкм упрочняющее действие проявляется уже при добавке 20 % связующего, а отливкам из стекловолокна диаметром 0,7 мкм для достижения сопоставимого эффекта требуется введение по крайней мере 60 % связующего. Для материалов одной природы это может быть связано с различной площадью контактов волокон (у образцов одинаковой массы из более тонких волокон она больше), на которой за счет введения связующего формируются межволоконные связи.

Результаты испытаний образцов с увеличенной до 50 г/м2 массой отливок подтвердили тенденцию, обнаруженную на тонких образцах массой 25 г/м2. Только были получены более четкие зависимости, поскольку на свойства материала в меньшей степени сказывались локальные колебания массы при общей более высокой абсолютной прочности листов.

Природа минерального материала также влияет на характеристики деформативности и прочности образцов, изготовленных с применением связующего. Так, даже при использовании связующего материал из каолино-

вых волокон остается весьма слабым. Прочность образцов возрастает в ряду: каолин, стекловолокно диаметром 0,7 мкм, стекловолокно диаметром 0,2 мкм, базальтовое волокно.

Выводы

1. Введение сульфата алюминия не только повышает значения деформационных и прочностных характеристик, но и влияет на характер деформирования листового материала из минеральных волокон при растяжении, которое оценивается по кривым напряжение-деформация; материал становится более прочным и жестким, что сопровождается снижением его растяжимости.

2. Наилучшим комплексом свойств деформативности и прочности обладает листовой материал (масса 50 г/м2) из базальтовых и стеклянных (диаметр 0,2 мкм) волокон.

С.-Петербургская государственная лесотехническая академия Архангельский государственный технический университет

V.K. Dubovyj, Ya. V. Kazakov

Application of Aluminum Sulfate for Increasing Deformational Characteristics of Paper-like Materials of the Mineral Fibers

Comparison of deformational characteristics of sheet materials made of mineral fibers manufactured by using 20.80 % mineral binding is carried out. Addition of binding is shown not only to increase the values of deformational and strengths characteristics but influence the deformation character of sheet material under tension. It is found that when material becomes stronger and stiffer its elasticity goes down.