Размол оказывает влияние на свойства целлюлозы посредством циклических нагрузок на волокна. Эксперименты по циклическому сжатию отдельных волокон показали, что основной постоянный эффект достигается уже в первом цикле, в то время как последующие циклы дают мало дополнительного эффекта. Последующие исследования показали, что прочность волоконной сети повышается, только если волокна перемещаются и перераспределяются между циклами нагрузки. Таким образом, главной задачей в размоле является однократное эффективное воздействие на как можно большее число волокон, а не повторное воздействие на одни и те же волокна.

На основе этого сценария была предложена статистическая модель, связывающая увеличение прочности с двумя параметрами: числом воздействий на волокна (N) и вероятностью успешного размола при каждом воздействии (P). Для различных типов оборудования и целлюлозы было обнаружено, что величина P очень мала и находится в диапазоне 1–4%. Авторы предположили, что это связано с тем, что каждое воздействие затрагивает лишь небольшую часть длины волокна.

Кинетическая модель процесса размола

Авторы рассматривают механику взаимодействия волокон в размольном зазоре. Кинетическая модель базируется на предположении, что каждое успешное воздействие увеличивает обработанную длину волокна. В этой модели процесс размола представлен как постепенная обработка волокна по всей его длине, от исходной до полностью обработанной.

Связывая число успешных воздействий с увеличением обработанной длины, авторы получили уравнение, описывающее процесс увеличения обработанной части волокна. После интегрирования было получено выражение, связывающее обработанную длину волокна с количеством и эффективностью ударов.

Связь с увеличением прочности

Сравнивая кинетическое уравнение с ранее предложенным уравнением роста прочности, авторы подтвердили, что обработанная доля волокна напрямую связана с достижением максимального роста прочности. Полученные результаты указывают, что каждое успешное воздействие затрагивает участок волокна размером в несколько диаметров волокна.

Физический размер зоны воздействия

Авторы оценили размер зоны воздействия (w), исходя из экспериментальных данных. Было установлено, что зона воздействия соответствует примерно 2–3 диаметрам волокна (около 36–100 мкм). Это указывает на то, что усилия передаются через пересечения волокон в волоконной сети. Эти пересечения подвергаются наибольшей нагрузке и вызывают размольный эффект.

Для подтверждения размера зоны воздействия были использованы экспериментальные данные других исследователей, которые измеряли локальные повреждения волокон при размоле, наблюдая участки набухания размером примерно с диаметр волокна. Эти участки набухания и являются свидетельством локального воздействия при размоле.

Таким образом, полученные экспериментальные данные подтверждают, что увеличение прочности бумаги происходит по мере увеличения обработанной доли длины волокон, достигающей максимума, когда вся длина волокна подвергается обработке.

Исследование локальных повреждений волокон при размоле

Авторы приводят дополнительные экспериментальные данные, подтверждающие гипотезу о том, что воздействие на волокна при размоле происходит на участках, сравнимых по размеру с диаметром самого волокна. Эти данные были получены другими исследователями (Eckhart и соавт.), которые изучали повреждения волокон, вызванные размолом.

Исследователи применяли метод окрашивания волокон медь-этилендиаминовым реагентом, который вызывал набухание волокон. Затем волокна изучали с помощью световой микроскопии в проходящем свете. Изображения волокон анализировались специальными алгоритмами, разработанными Hirn, для оценки степени повреждений волокон, выражающихся в локальном набухании отдельных участков волокна.

На рисунке 2 представлен пример изображения волокна, на котором видны локальные участки набухания. Эти участки примерно равны диаметру волокна и составляют значительную часть общей длины волокна (около 36,4%). Такие области набухания свидетельствуют о локальном воздействии размола.

Авторы делают вывод, что увеличение прочности бумаги происходит благодаря постепенному локальному набуханию волокон, вызванному размолом. Максимальная прочность достигается тогда, когда все волокно подверглось обработке и набухло.

Авторы статьи отмечают, что представленные результаты не являются окончательным доказательством предложенной ими модели и гипотезы. Для полного подтверждения необходимо проводить дополнительные измерения, одновременно фиксируя степень локального набухания и прочность бумаги. Однако результаты этого исследования дают убедительное объяснение механизма размола, согласующееся с имеющимися экспериментальными данными.

Таким образом, предложенные результаты создают логичную и обоснованную картину процесса размола и указывают на необходимость проведения дальнейших исследований для более глубокого понимания этого процесса.

Выводы исследования

Авторы возвращаются к вопросу, поставленному в начале работы: почему вероятность успешного размольного воздействия на волокно при каждом проходе через зазор настолько мала? Результаты исследования позволяют предложить следующее объяснение: силы, действующие в волоконных сетях, передаются в основном в местах пересечения волокон.

Так как диаметр волокон очень мал по сравнению с их длиной, то при каждом прохождении через зазор размольного оборудования воздействию подвергается лишь небольшая часть длины волокна. Именно это объясняет низкую вероятность успешного размола за одно пересечение бруска. Для достижения значительного эффекта размола требуется многократное пересечение волокнами активных зон размольного зазора.

Таким образом, вероятность воздействия на отдельную часть волокна и вероятность того, что само волокно будет захвачено и подвергнется воздействию в размольном зазоре, обуславливают необходимость многократных пересечений для эффективной переработки массы.