摘要: 本文詳細(xì)闡述了紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)組成、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、測試方法及標(biāo)準(zhǔn),分析了其在造紙及相關(guān)行業(yè)中的重要應(yīng)用,并探討了影響測試結(jié)果的因素及相應(yīng)的解決措施,旨在為相關(guān)從業(yè)人員提供全面的技術(shù)參考,促進(jìn)紙張質(zhì)量檢測與控制技術(shù)的發(fā)展。
一、引言
紙張作為一種廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)材料,其抗張強(qiáng)度是衡量紙張質(zhì)量和性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)作為專門用于測定紙張抗張強(qiáng)度的設(shè)備,在造紙、印刷、包裝等行業(yè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。準(zhǔn)確了解和掌握紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用,對(duì)于保證紙張質(zhì)量、優(yōu)化生產(chǎn)工藝以及提高產(chǎn)品性能具有重要意義。
二、技術(shù)原理
紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)基于力學(xué)原理,通過對(duì)紙張?jiān)嚇邮┘永炝?,測量試樣在斷裂前所能承受的最大拉力,從而計(jì)算出紙張的抗張強(qiáng)度。其工作原理主要涉及力的傳遞、測量與數(shù)據(jù)處理。在測試過程中,試驗(yàn)機(jī)的夾具夾住紙張?jiān)嚇拥膬啥?,然后以一定的速度?duì)試樣進(jìn)行拉伸,隨著拉伸的進(jìn)行,試樣所受的拉力逐漸增大,直至試樣斷裂。此時(shí),試驗(yàn)機(jī)記錄下斷裂時(shí)的最大拉力值,并根據(jù)試樣的寬度等參數(shù),依據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出紙張的抗張強(qiáng)度。
三、結(jié)構(gòu)組成
1. 夾持裝置
- 包括上夾具和下夾具,用于牢固地夾住紙張?jiān)嚇?。夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)確保試樣在拉伸過程中不會(huì)滑動(dòng)或脫落,且夾持力均勻分布,以避免試樣在夾持處出現(xiàn)局部損壞而影響測試結(jié)果。夾具的類型有多種,如機(jī)械夾具、氣動(dòng)夾具等,可根據(jù)實(shí)際需求選擇。
2. 加載系統(tǒng)
- 是產(chǎn)生拉伸力的核心部件,常見的有電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母副結(jié)構(gòu)和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式具有精度高、控制穩(wěn)定、操作方便等優(yōu)點(diǎn),適用于大多數(shù)常規(guī)紙張的測試;液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則能提供更大的拉力,適用于高強(qiáng)度紙張或特殊材料的測試。加載系統(tǒng)的拉伸速度應(yīng)可調(diào)節(jié),以滿足不同標(biāo)準(zhǔn)和紙張類型的測試要求。
3. 測量系統(tǒng)
- 由力傳感器和位移傳感器組成。力傳感器用于實(shí)時(shí)測量試樣所承受的拉力大小,其精度和穩(wěn)定性直接影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。位移傳感器則用于測量試樣在拉伸過程中的伸長量,通過計(jì)算伸長量與原始長度的比值,可得到紙張的伸長率等相關(guān)參數(shù)?,F(xiàn)代的紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)通常采用高精度的應(yīng)變片式力傳感器和光柵式位移傳感器,以確保測量數(shù)據(jù)的可靠性。
4. 數(shù)據(jù)處理與顯示單元
- 負(fù)責(zé)接收測量系統(tǒng)傳來的信號(hào),并進(jìn)行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理。然后,根據(jù)預(yù)設(shè)的算法和公式,計(jì)算出紙張的抗張強(qiáng)度、伸長率等性能參數(shù),并將結(jié)果顯示在顯示屏上。同時(shí),該單元還具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析、打印報(bào)告等功能,方便用戶對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析。
四、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)
1. 測量范圍
- 表示試驗(yàn)機(jī)能夠測量的力的最大值和最小值范圍。一般來說,紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的測量范圍應(yīng)覆蓋常見紙張的抗張強(qiáng)度范圍,通常從幾牛頓到數(shù)千牛頓不等。選擇合適測量范圍的試驗(yàn)機(jī)對(duì)于保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要,若測量范圍過小,可能無法滿足高強(qiáng)度紙張的測試需求;若測量范圍過大,對(duì)于低強(qiáng)度紙張的測試精度可能會(huì)受到影響。
2. 精度等級(jí)
- 反映了深圳市普云電子有限公司PY-H801系列微電腦紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度,通常用示值誤差或相對(duì)誤差來表示。高精度的試驗(yàn)機(jī)能夠更準(zhǔn)確地測量紙張的抗張強(qiáng)度,一般精度等級(jí)在±1%以內(nèi)的試驗(yàn)機(jī)可滿足大多數(shù)常規(guī)測試要求。對(duì)于一些對(duì)測試精度要求較高的行業(yè),如紙品生產(chǎn)或科研領(lǐng)域,可能需要精度更高的試驗(yàn)機(jī)。
3. 拉伸速度
- 是指試驗(yàn)機(jī)對(duì)紙張?jiān)嚇舆M(jìn)行拉伸的速度,常見的拉伸速度范圍為 1~500mm/min 可無級(jí)調(diào)速。拉伸速度對(duì)紙張的抗張強(qiáng)度測試結(jié)果有一定影響,不同的紙張類型和測試標(biāo)準(zhǔn)可能規(guī)定了不同的拉伸速度。例如,對(duì)于較薄、強(qiáng)度較低的紙張,應(yīng)采用較低的拉伸速度,以防止試樣在拉伸過程中過快斷裂,從而獲得更準(zhǔn)確的測試結(jié)果;而對(duì)于強(qiáng)度較高的紙張,可以適當(dāng)提高拉伸速度,以提高測試效率。
4. 夾間距
- 即試驗(yàn)機(jī)上下夾具之間的距離,也稱為試驗(yàn)長度。夾間距的大小會(huì)影響紙張?jiān)嚇釉诶爝^程中的受力狀態(tài)和變形情況。標(biāo)準(zhǔn)夾間距一般為 180mm 或其他特定尺寸,在進(jìn)行測試時(shí),應(yīng)確保夾間距符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,否則可能導(dǎo)致測試結(jié)果的偏差。
五、測試方法及標(biāo)準(zhǔn)
1. 測試方法
- 試樣準(zhǔn)備:按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(如 GB/T 12914 - 2018《紙和紙板 抗張強(qiáng)度的測定》)的規(guī)定,從待測試的紙張中隨機(jī)抽取足夠數(shù)量的樣品,并將其裁剪成合適尺寸的試樣。一般試樣為長條形,寬度在 15 - 25mm 之間,長度應(yīng)滿足能夠有效夾持在試驗(yàn)機(jī)上并且有足夠的拉伸長度,通常在 200 - 250mm 左右。裁剪過程中要使用鋒利的刀具,確保試樣邊緣平整,無破損、褶皺等缺陷,以免影響測試結(jié)果。
- 儀器校準(zhǔn):在進(jìn)行正式測試之前,需要對(duì)紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)內(nèi)容包括力傳感器校準(zhǔn)和拉伸速度校準(zhǔn)。力傳感器校準(zhǔn)可使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行,將已知重量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼掛在試驗(yàn)機(jī)的拉力傳感器上,檢查儀器顯示的拉力值是否與砝碼重量相符,誤差應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。拉伸速度校準(zhǔn)可通過測量在一定時(shí)間內(nèi)試樣拉伸的距離來進(jìn)行,計(jì)算實(shí)際拉伸速度并與設(shè)定值進(jìn)行比較,確保拉伸速度的準(zhǔn)確性。
- 測試操作:將準(zhǔn)備好的試樣兩端分別夾在試驗(yàn)機(jī)的上下夾具中,注意使試樣的中軸線與拉力方向保持一致,并確保試樣夾緊。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī),按照設(shè)定的拉伸速度對(duì)試樣進(jìn)行拉伸。在拉伸過程中,試驗(yàn)機(jī)的測量系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)記錄試樣所承受的拉力和伸長量等數(shù)據(jù)。當(dāng)試樣斷裂時(shí),試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄下斷裂時(shí)的最大拉力值和相應(yīng)的伸長量。
2. 測試標(biāo)準(zhǔn)
- 國際上常用的紙張抗張強(qiáng)度測試標(biāo)準(zhǔn)有 ISO 1924 - 1:2008《紙和紙板 - 抗張強(qiáng)度的測定 - 第 1 部分:恒速拉伸法(20mm/min)》等。國內(nèi)主要采用 GB/T 12914 - 2018《紙和紙板 抗張強(qiáng)度的測定》標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了紙張抗張強(qiáng)度的測定方法、試樣的制備、試驗(yàn)環(huán)境條件以及測試儀器的要求等內(nèi)容。不同的測試標(biāo)準(zhǔn)可能在試樣尺寸、拉伸速度、測試環(huán)境等方面存在一些差異,因此在進(jìn)行測試時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的測試標(biāo)準(zhǔn),并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行操作,以確保測試結(jié)果的可比性和準(zhǔn)確性。
六、應(yīng)用領(lǐng)域
1. 造紙行業(yè)
- 在紙張生產(chǎn)過程中,紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)用于對(duì)原材料、半成品和成品紙張進(jìn)行質(zhì)量檢測和監(jiān)控。通過定期測試紙張的抗張強(qiáng)度,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)工藝中的問題,如打漿程度不合適、纖維配比不合理、添加劑使用不當(dāng)?shù)?,從而調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù),保證紙張質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。此外,對(duì)于新產(chǎn)品研發(fā),紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)可以幫助研究人員評(píng)估不同配方和工藝對(duì)紙張抗張強(qiáng)度的影響,為優(yōu)化產(chǎn)品性能提供依據(jù)。
2. 印刷行業(yè)
- 印刷過程中,紙張需要承受印刷機(jī)的各種作用力,如張力、壓力等。紙張的抗張強(qiáng)度直接影響印刷質(zhì)量和生產(chǎn)效率。如果紙張的抗張強(qiáng)度不足,可能會(huì)導(dǎo)致印刷過程中紙張斷裂、起皺、套印不準(zhǔn)等問題。因此,印刷企業(yè)在采購紙張時(shí),通常會(huì)使用紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)對(duì)紙張進(jìn)行檢測,確保所選紙張符合印刷要求。同時(shí),印刷企業(yè)也可以根據(jù)紙張的抗張強(qiáng)度調(diào)整印刷機(jī)的參數(shù),如張力控制、印刷速度等,以提高印刷質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
3. 包裝行業(yè)
- 包裝用紙和紙板的抗張強(qiáng)度是包裝材料性能的重要指標(biāo)之一。在包裝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中,需要根據(jù)包裝物品的重量、形狀、運(yùn)輸方式等因素,選擇具有合適抗張強(qiáng)度的紙張和紙板。紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)可以幫助包裝企業(yè)評(píng)估包裝材料的力學(xué)性能,確保包裝在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過程中能夠承受各種外力的作用,保護(hù)包裝內(nèi)物品的安全。例如,對(duì)于紙箱包裝,較高的抗張強(qiáng)度可以保證紙箱在堆疊、搬運(yùn)和運(yùn)輸過程中不易變形、破裂,提高包裝的可靠性和耐久性。
4. 科研領(lǐng)域
- 在材料科學(xué)研究中,紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)是研究紙張力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)性能關(guān)系的重要工具。科研人員可以利用該試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同種類、不同工藝的紙張進(jìn)行測試,分析紙張的微觀結(jié)構(gòu)(如纖維形態(tài)、纖維結(jié)合方式等)與宏觀力學(xué)性能(抗張強(qiáng)度、伸長率等)之間的內(nèi)在聯(lián)系,為開發(fā)新型紙張材料、改進(jìn)造紙工藝提供理論支持。此外,紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)還可以用于研究紙張?jiān)诓煌h(huán)境條件(如溫度、濕度)下的力學(xué)性能變化規(guī)律,為紙張的應(yīng)用和保存提供科學(xué)依據(jù)。
七、影響測試結(jié)果的因素及解決措施
1. 試樣因素
- 試樣尺寸:試樣的寬度和長度對(duì)測試結(jié)果有一定影響。如果試樣寬度不均勻或長度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求,可能會(huì)導(dǎo)致測試結(jié)果的偏差。因此,在試樣制備過程中,應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸進(jìn)行裁剪,并使用精度較高的測量工具進(jìn)行測量,確保試樣尺寸的準(zhǔn)確性。
- 試樣邊緣質(zhì)量:試樣邊緣的平整度和光滑度對(duì)測試結(jié)果也有重要影響。如果試樣邊緣存在毛刺、褶皺或破損等缺陷,在拉伸過程中容易在邊緣處產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致試樣過早斷裂,從而使測試結(jié)果偏低。為了保證試樣邊緣質(zhì)量,裁剪試樣時(shí)應(yīng)使用鋒利的刀具,并盡量避免對(duì)試樣邊緣造成損傷。
- 試樣的濕度:紙張是吸濕性材料,其含水量會(huì)影響紙張的力學(xué)性能。如果試樣的濕度與測試環(huán)境的濕度不平衡,在測試過程中可能會(huì)因水分的蒸發(fā)或吸收而導(dǎo)致紙張性能的變化,進(jìn)而影響測試結(jié)果。因此,在進(jìn)行測試前,應(yīng)將試樣放置在測試環(huán)境中一定時(shí)間,使其達(dá)到濕度平衡。同時(shí),測試環(huán)境的濕度應(yīng)控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)(一般為相對(duì)濕度 50%±2%)。
2. 儀器因素
- 夾具的夾緊力:夾具的夾緊力過大或過小都會(huì)對(duì)測試結(jié)果產(chǎn)生影響。夾緊力過大可能會(huì)損傷試樣,使試樣在夾持處提前斷裂,導(dǎo)致測試結(jié)果偏低;夾緊力過小則會(huì)使試樣在拉伸過程中滑動(dòng),影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此,在測試過程中,應(yīng)根據(jù)試樣的厚度和強(qiáng)度選擇合適的夾緊力,并在每次測試前檢查夾具的夾緊狀態(tài),確保夾緊力均勻穩(wěn)定。
- 儀器的校準(zhǔn):紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)確性依賴于定期的校準(zhǔn)。如果儀器未經(jīng)過正確校準(zhǔn),力傳感器和位移傳感器的測量誤差可能會(huì)導(dǎo)致測試結(jié)果的不準(zhǔn)確。因此,應(yīng)按照儀器的使用說明書和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求,定期對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn),使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼和標(biāo)準(zhǔn)長度量具對(duì)力傳感器和位移傳感器進(jìn)行校驗(yàn),確保儀器的測量精度在允許范圍內(nèi)。
- 儀器的穩(wěn)定性:在測試過程中,儀器的穩(wěn)定性也會(huì)影響測試結(jié)果。如果儀器存在機(jī)械振動(dòng)、電氣干擾等問題,可能會(huì)使測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動(dòng),從而影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。為了保證儀器的穩(wěn)定性,應(yīng)將儀器放置在平穩(wěn)、無振動(dòng)的工作臺(tái)上,并避免在儀器周圍使用強(qiáng)電磁干擾設(shè)備。同時(shí),定期對(duì)儀器進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng),檢查儀器的各部件連接是否牢固,電氣線路是否正常等。
3. 測試環(huán)境因素
- 溫度:溫度對(duì)紙張的力學(xué)性能有一定影響。一般來說,溫度升高會(huì)使紙張的強(qiáng)度降低,伸長率增加;溫度降低則會(huì)使紙張的強(qiáng)度增加,伸長率減小。因此,在進(jìn)行測試時(shí),應(yīng)盡量控制測試環(huán)境的溫度在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)(一般為 23℃±1℃)。如果測試環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度相差較大,應(yīng)考慮對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行溫度修正,以提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
- 濕度:如前所述,濕度對(duì)紙張的力學(xué)性能影響較大。除了控制試樣的濕度平衡和測試環(huán)境的相對(duì)濕度外,還應(yīng)注意避免測試環(huán)境中的濕度波動(dòng)過大。在潮濕的環(huán)境中,紙張可能會(huì)吸收水分而變軟,抗張強(qiáng)度降低;在干燥的環(huán)境中,紙張可能會(huì)失去水分而變脆,抗張強(qiáng)度增加。因此,在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)配備恒溫恒濕設(shè)備,以保證測試環(huán)境的穩(wěn)定性。
八、結(jié)論
紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)作為紙張質(zhì)量檢測和性能研究的重要設(shè)備,其技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)組成、測試方法及標(biāo)準(zhǔn)等方面都具有嚴(yán)格的要求。通過準(zhǔn)確測量紙張的抗張強(qiáng)度,能夠?yàn)樵旒?、印刷、包裝等行業(yè)提供可靠的質(zhì)量控制依據(jù),促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升和行業(yè)的發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到影響測試結(jié)果的各種因素,并采取相應(yīng)的解決措施,以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí),隨著科技的不斷進(jìn)步和行業(yè)的發(fā)展需求,紙張抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)也在不斷地向高精度、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展,為紙張質(zhì)量檢測與控制技術(shù)的進(jìn)一步提高提供了有力的支持。
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