微压入法在纸张微观力学性能研究中应用(上)

2007/8/10 15:04:24

[摘要】将微压入测试方法应用于对纸张纤维强度及纤维之间结合强度的测试是一种行之有效的方法，通过对被测纤维及纤维之间结合部位的载荷一位移关系曲线的分析，可以计算出纤维及结合点处的弹性模量和弹性接触刚度，这种测试方法为进一步研究纤维性能与纸张性能之间的关系打下基础。关键词：纸张纤维；微压入压痕；弹性模量；弹性接触刚度对于纸张的性能测试，如抗张强度、断裂长、伸缩性、印刷表面强度等，由于实验技术所限，传统方法多是从宏观的角度直接或间接测得相关性能参数。但是，在从微观角度探寻影响纸张性能本质问题方面的研究，所做的工作很少。自20世纪80年代纳米科技诞生以来，经过这20多年的发展，纳米科技已取得了巨大的进步。从某种程度上说，测试方法推动了纳米科技的快速发展。微、纳观测试技术的发展为人们研究微观材料开辟了一条新的途径。微压入测试法是随着纳米科技发展而发展起来的一种新型测试方法，该方法通过测得被测材料微观区域的载荷一深度关系曲线，进一步研究被测材料的弹性模量、弹性接触刚度等问题，特别适用于对薄材料及对材料微观性能的研究。文中将这种测试方法应用于纸张的研究中，从微观角度出发，利用微载荷与微压入深度之间的关系，研究纸张纤维单体强度及纤维之间结合强度的有关问题，为今后进一步研究纸张的宏观性能与微观纤维，性能之间的关系做些基础性的工作。纤维、纤维结合强度与纸张强度的关系纸张强度包括抗张强度、拉伸强度、耐破度及撕裂强度，这4大强度与纸张的纤维单体和纤维之间的结合强度有着密切的关系。纤维对纸张强度的影响与纤维结合程度有关，对结合良好的纸页，纤维强度对与纤维裂断相关的有关性能影响很大，纤维强度的降低会导致抗张强度、耐破度和耐折度的明显下降。纸张纤维强度与纤维本身特征有关，细胞壁薄、细胞腔大的纤维成纸强度高，而细胞壁厚、细胞腔小的纤维成纸强度低。这是由于纤维细胞壁薄而腔大具有很好的柔软性，使纤维之间易于结合，且结合力大；而细胞壁厚、腔小的纤维比较僵硬，纤维结合力差。所以，当纤维结合较弱时，纤维间的结合指数为主要决定因素，抗张强度主要受纤维结合的控制；若纤维结合程度大，结合指数的影响较小。此时，纤维强度的影响显得更为重要。为了定量分析纤维强度和纤维结合区域如何影响成纸的强度、在多大程度上影响成纸的强度，需要一种行之有效的方法对此问题作进一步的探讨。2 微压入压痕测试方法微压入压痕测试法是对材料微观性能进行研究的一种很有效的方法，它通过BIBI地记录加载一深度、卸载一深度之间关系的曲线来研究材料的有关性能，其中，卸载曲线对研究材料的弹、塑性是非常重要的。图1所示为材料具有弹塑性变形的载荷一深度示意图。 (待续)

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