用TMI弯曲挺度仪测试纸板挺度的研究

李 静 任继春 张瑞霞

（天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津市制浆造纸重点实验室，天津300457）

用TMI弯曲挺度仪测试纸板挺度的研究

李 静 任继春 张瑞霞

（天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津市制浆造纸重点实验室，天津300457）

挺度是很多纸种需要检测的一项重要的物理性能指标。本文使用TMI弯曲挺度仪对纸板的挺度进行测试，对仪器所能提供的三种指示单位及其相互关系进行了研究。同时，将TMI弯曲挺度仪与泰伯挺度仪所测得的实验结果进行了比较，分析了两种挺度仪测量结果的相互关系。

弯曲挺度 TMI弯曲挺度仪 泰伯挺度仪

纸张的抗弯曲挺度是指纸或纸板阻抗外力或负荷引起变形的能力。当纸或纸板用于包装材料时，其抗弯曲挺度是一项重要的强度指标。

用于测定纸和纸板挺度的方法和仪器很多，本实验利用TMI K416型弯曲挺度仪测试纸板的抗弯曲挺度，对该仪器所提供的三种表征单位及其相互关系加以分析。同时，实验还对TMI弯曲挺度仪与泰伯挺度仪的测试结果进行了比较，对两者之间的相互关系进行了说明。

1 仪器的基本介绍

TMI K416型弯曲挺度仪是根据力学中的静态弯曲原理来测量纸或纸板挺度的，测量的是一端被夹的试样弯曲至指定角度时所需要的力或力矩 (该力作用在恒定的弯曲长度上)。测试的基本原理见图1。 仪器测量符合ISO 5628、AS/NZ 1301-4535、DIN 53121、SCAN P29检测标准。测试时首先将待测样放置在夹紧装置上，夹紧装置将试样夹紧后慢慢旋转至设定角度，此时试样末端与传感器接触，仪器显示测量结果。测量结束后仪器自动复位并松开试样。

图1 TMI弯曲挺度仪测试原理

仪器可以显示的测量结果包括力、力矩和泰伯单位。其中，测力范围为0～5000mN，测量角度为0～90?。仪器可选择的弯曲长度有5mm、10mm、15 mm、20mm、25mm和50mm，测试样宽度为38mm。仪器采用气动夹样，因此可以避免由于夹紧力大小的变化对测试结果带来的影响。

2 实验部分

2.1 实验原料与仪器

不同定量的纸板。TMI K416型弯曲挺度仪。JTDY500A型纸板挺度测定仪

2.2 实验方法：

按GB/T10739-2002纸、纸板和纸浆试样处理和试验的标准大气条件，处理待测试样。并按GB/T2679.3-1996，ISO 2493、ISO 5628测试纸板的弯曲挺度。

2.3 结果与讨论

2.3.1 TMI弯曲挺度仪力与力矩的相互关系

实验选取平整的不同种类纸板试样，用TMI弯曲挺度仪配备的标准取样器取样。按使用说明，TMI弯曲挺度仪以力（mN）作为表征单位时，测试长度、角度可以任意设置。如果选择力矩（mN·m）做为测试单位，测试长度必须选择50mm，测量角度 5.0°，此时仪器会自动设置测量长度和角度。为此，在以力来表征测量结果时同样选取测试长度50mm，测试角度 5.0°，结果见表1。

表1 TMI弯曲挺度仪以力与力矩表示的测量结果

根据力学两点加荷法，弯曲挺度可用如下公式计算：

式中：

S— 弯曲挺度 单位为 mN·m

F—测量力值单位为N

Φ—弯曲角度单位为度

L—弯曲长度单位为mm

b—样品宽度单位为mm

本部分实验弯曲角度为5.0°，弯曲长度为50mm，样品宽度为38mm。根据挺度计算公式，分别将表1中仪器测得的纸板弯曲至5.0°角时所需要的力值代入（1）式得到计算力矩值，并绘制成曲线。将计算力矩值与表1中的测量力矩值加以对比，结果如下图。

图1 计算力矩与测量力矩的对比

从图中可以看出：测量力按公式（1）计算得到的力矩曲线与实际测量的力矩曲线几乎是重合的，这充分证明了公式 （1）可以完成两种单位间的换算。另外，在实际测量过程中TMI弯曲挺度仪在单次操作中只能显示一种单位的测试结果，因此使用公式（1）可以很方便的得到另一种指示单位的结果。

2.3.2 TMI弯曲挺度仪力与Taber单位的相互关系

TMI挺度仪选择 Taber单位测试时，规定测试样长度必须 50mm，可以根据需要选择弯曲角度7.5°或15°。本部分实验选取测试角度15°、测试长度50mm，考察TMI弯曲挺度仪所测力与Taber单位间的换算关系，结果见表2。

表2 TMI弯曲挺度仪以力与Taber单位表示的测量结果

根据ISO2493，泰伯挺度仪实际的测试弯曲长度为51.8 mm，测试结果以力矩（gf.cm）来表示，将其转换为力的单位（mN）时有如下计算公式：

式中：

R — 泰伯挺度仪上的刻度值 单位为gf.cm

9.81 — gf.cm至mN.cm的换算因数

5.18 — 测试样品的实际弯曲长度 单位为cm

在弯曲长度为50mm，弯曲挺度B用力（mN）来表示时遵循下面公式：

由此，从力的测试结果我们可以计算出Taber单位挺度如下：

根据公式（4），将表2中仪器测量的纸板弯曲力值转换为Taber单位，并将转换后的计算Taber值与实际测量的Taber值进行对比，结果如图2。

图2 计算Taber单位与测试Taber单位值的对比

图2中两条直线较好的重合，说明使用公式（4）可以完成力与Taber单位间的挺度换算。

2.3.3 TMI弯曲挺度仪与泰伯挺度仪的比较

在标准条件下，泰伯挺度仪是测量弯曲一端夹紧的规定尺寸的试样至15°角时的力或力矩，多以力矩mN·m来表示。用TMI挺度仪也可以得到以力矩来表征的挺度值。虽然测试区的长度都为50mm，但TMI挺度仪以力矩来表征时必须选择 5.0°测试角。两种仪器的规定测试角度不同，因此不能直接用TMI所提供的力矩值与泰伯挺度仪的力矩值进行比较。实验选取具有相同测试长度与角度的TMI Taber单位值与泰伯挺度进行比较，结果如表3所示。

表3 TMI弯曲挺度与泰伯挺度间的关系

从表面上看，在泰伯挺度仪上直接读到的以mN·m来表征的挺度值与TMI的Taber挺度没有什么关系，但将泰伯挺度单位转换为gf·cm来表征时（乘以换算系数10.19），它与TMI的Taber表征值就一致了。由此可见，TMI的Taber挺度实际上是以gf·cm来表示的。另外，通过以上表格的实验数据我们可以看出，两种仪器的测量结果具有较好的再现性。

2.3.4 弯曲补偿

理论上讲用于挺度测试的试样应该是平整的，但是由于种种原因，试样往往并不是理想的平整状态。实验选取了三种略有弯曲的纸板，分别用TMI和泰伯挺度仪进行测试，并将泰伯挺度仪的测试结果转换为gf·cm，实验数据见下表。

表4 弯曲试样挺度测试结果

从表中可以看出：用TMI弯曲挺度仪所测的弯曲纸板两面挺度值相差不大，而泰伯挺度仪测试的弯曲试样两面差就相当大了。其原因是TMI弯曲挺度仪的传感器是在接触试样后才开始测试，较好的消除了由于纸板弯曲带来两面差。因此，略有弯曲的试样也是可以用于测试的，但如果试样弯曲超过18°角，传感器仍然没有测试到试样仪器将自动终止实验。

3 结论

a.TMI弯曲挺度仪测试中力与力矩的相互转换可以使用公式；b.TMI弯曲挺度仪测试中力与Taber单位的相互转换可以使用公式；c.TMI表征单位中的Taber单位是以gf·cm来表征的力矩单位，它与泰伯挺度仪的测量结果有较好的再现性。

[1]ISO 5628：1990 Paper and board — Determination of bending stiffness by static methods—General principles.

[2]TMI公司编.TMI弯曲挺度仪操作手册.

[3]ISO2493:Paper and board—Determination of resistance to bending.

2011－5－18