خصوصیات مکانیکی کاغذ

خواص مکانیکی و استحکامی کاغذ نشان دهنده­ی شیمی ذاتی، مورفولوژی و ساختار منحصر به فرد بافت ها و همچنین نشان دهنده­ی ساختار شبکه­ ی کاغذ است. این خصوصیات همچنین تغییرات شیمیایی را که باعث می­ شود کاغذ به مرور زمان ماندگاری خود را از دست بدهد، نیز نشان می دهد. حتی اگر تغییرات شیمیایی که باعث کم شدن ماندگاری کاغذ می شوند هم ناشناخته بماند، خصوصیات استحکامی دوام کاغذ را نشان می­ دهد. نظارت دقیق بر خصوصیات استحکامی برای بهبود بخشیدن به کاغذهایی که ماندگاری آنها کم شده موثر است. این کار نیازمند روش های تست قابل اطمینان است.

شناخت اصولی خصوصیات مکانیکی کاغذ دشوار است، و به همین دلیل در این باره مطالعات زیادی در بسیاری از آزمایشگاه های سراسر دنیا انجام شده است. هدف نهایی از چنین مطالعاتی درک کامل روابط بین ساختار و خصوصیات کاغذ است، تا بتواند کاغذی با خصوصیات مورد نظر تهیه کند. اما متاسفانه هنوز به این هدف نرسیده ایم. در عوض نیازمند یک رویکرد جایگزین هستیم. ارزیابی ابزار برای دستیابی به خواسته­ی مورد نظر ملزم به انجام آزمایش های مشخص است. چنين آزمایش هایی معمولا به دقت طراحی های ابزار و اندازه­ ی نمونه و ساير متغيرها بستگي دارد.چنین آزمایش هایی معمولا خصوصیات پیچیده­ی کاغذ را که از ترکیبی از چندین خصوصیت آن است اندازه گیری می کنند.

جهت ماشین و کراس (موازی و عمودی) در کاغذ

MD تولید کاغذ در جهت موازی و CD عمود بر MD است. خصوصیات کاغذ مانند کشش، تاشوندگی و فشردگی بین این دو جهت تفاوت زیادی دارد. این امر اغلب به جهت گیری الیاف نسبت داده می­شود، اما معمولا واقعیت مورد اهمیت این است که کاغذ MD تحت فشار بسیار بیشتری نسبت به CD خشک می شود. اگر نوع چینش الیاف دلیل اصلی تفاوت در خصوصیات استحکامی باشد انتظار می­ رود تفاوت زیادی در میزان مقاومت در برابر پارگی MD و CD وجود داشته باشد، زیرا مقاومت در برابر پارگی  به خصوصیات منحصر به فرد الیاف بستگی دارد (یعنی طول و استحکام الیاف). بخش اول جدول 2.3 نشان می­دهد که با وجود تفاوت در استحکام کششی مقاومت در برابر پارگی MD و CD تقریباً یکسان است.

شکل 2.1 نمایانگر تفاوت در استحکام کششی MD و CD (جهت اعمال نیرو) است.

شکل 2.11 رفتار کشش نسبی کاغذ در MD و CD. تنش نیروی اعمال شده است و کرنش کشش نمونه (افزایش طول) است. سختی  = تنش/کرنش

Stress: تنش، strain: کرنش، failure point: نقطه­ی شکست

کاغذ MD نسبت به CD سخت تر و قوی تر است. استاندارد TAPPI T409 روش­های تعیین کاغذ و مقوای MD را تعیین می­کند.

استحکام کاغذ در مقابل میزان بارگیری

استحکام چوب یا کاغذ و بطور کلی هر ماده­ای به میزان بارگیری آن بستگی دارد (سرعت افزایش نیرو چقدر است). بارنسبتا برای مدت زمان کوتاهی قابل پشتیبانی است. ارتباط بین بار و بارگیری یک رابطه­ی لگاریتمی است. به عنوان مثال برای افزایش ده برابری میزان بارگیری، استحکامِ فشاری به لبه های ورقه­ی فیبر موجدار (کنگره­ای)، حدود 7.5 درصد افزایش می یابد. هنچنین استحکام یک A-flute در نرخ بارگیری 0.01 in/min برابر با 40.2 lb/in بود، و در 0.1 in/min مقدارش 45.1 lb/in و در 1.0 in/min مقدارش 48.1 lb/in بود (Moody and Konig, 1966). به همین علت روشهای تست استاندارد برای اندازه گیری استحکام کاغذ همیشه مشخص کننده­ی نرخ بارگیری است.

استحکام کششی

استحکام کششی ناشی از عواملی مثل مقاومت فیبر، طول و اتصال فیبر است. از این روش برای کسب اطلاعات در مورد این عوامل استفاده می­شود، به خصوص زمانی که به عنوان شاخص مقاومت کششی مورد استفاده قرار می‌گیرند. از استحکام کششی در بسیاری از کاغذهایی که در معرض یک فشار کششی ساده و مستقیم قرار دارند به منظور کنترل کیفیت استفاده می­شود. استحکام کششی نشانه ای از مقاومت بالقوه در برابر پارگی بافتِ کاغذ مثل کاغذهای چاپ یا سایر عملیات تبدیل بافت است.

هنگام سنجیدن استحکام کششی، برای پیش بینی عملکرد کاغذ، پارامترهای کشش و جذب انرژی کششی اهمیت یکسان یا بیشتری دارند، بخصوص زمانی که کاغذ تحت یک فشار خارجی مثل فشار صمغ یا فشار دینامیکی مثل ریختن یک گونی پر از دانه باشد. مقاومت کششی کاغذ روی نوارهایی با طول 20 سانتی متری (7.9 اینچ) و پهنای 15 تا 25 میلیمتر (0.6 تا 1.0 اینچ) با استفاده از نرخ ثابت کشیدگی طبق استاندارد TAPPI T494 اندازه گیری می شود. آزمایش کششی در شکل 2.12 نشان داده شده است. در نهایت نیرو را طبق lb/in، kg/m یا N/m بیان میکنیم. شاخص کششی (با تقسیم استحکام کششی بر وزن پایه به دست می آید) و مدت زمان پارگی نوارها برای گزارش سنجش استحکام کششی جایی است که وزن پایه در آن نرمالیزه شده باشد.

استحکام کششی مواد دیگر همانطور که برای کاغذ انجام شد انجام میشود و به صورت نیرو/مساحت یا نیرو/پهنا گزارش داده می­شود. مثل دیگر خصوصیات استحکامی که به جهت کاغذ وابسته است، استحکام کششی در MD و CD را به طور جداگانه باید اندازه گیری کنیم. استحکام کششی را می­توان در ماشین های پاندولی (آونگی) (استاندارد T404) اندازه گیری کرد، که ممکن است منجر به نتایج متفاوتی شود. استحکام کششی کاغذهای مرطوب را طبق استاندارد T456 اندازه گیری می­کنیم. برای اندازه گیری استحکام الیاف (بر خلاف اتصال داخلی فیبر)، از تست کشش صفر می­توان استفاده کرد.

شکل 2.12 تست کشش. نمونه کاغذ را در طول آزمایش قبل از پارگی نشان می دهد.