纸张纵横向抗张强度与断裂伸长率设计计算书

纸张纵横向抗张强度

与断裂伸长率设计计算书文件编号：JS-ZL-2026-007文件阶段：设计计算阶段文件类型：产品性能计算书产品名称：胶版印刷纸产品规格：80g/m²编制：_______________审核：_______________批准：_______________日期：2026年10月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 概述1.1目的与意义纸张的纵横向抗张强度与断裂伸长率是表征纸页力学性能的核心指标，直接关系到纸张在印刷、包装、加工及使用过程中的结构完整性与尺寸稳定性。本计算书依据现行国家标准，对某定量为80g/m²的胶版印刷纸样品进行纵横向抗张强度与断裂伸长率的系统计算与分析，旨在为产品质量评价、工艺优化及工程应用提供定量依据。抗张强度反映纸张单位宽度所能承受的最大拉伸载荷，断裂伸长率则表征纸张在断裂前的塑性变形能力。两者共同决定了纸张在高速印刷、复卷、分切及后续加工中的适印性与运行可靠性。通过纵横向对比分析，可进一步评估纸页成形过程中的纤维定向程度与结构各向异性。1.2适用范围本计算书适用于定量为40g/m²～200g/m²的各种纸和纸板纵横向抗张强度及断裂伸长率的计算与分析。计算方法依据恒速拉伸法（夹头移动速度20mm/min），适用于除瓦楞纸板外的所有纸种。1.3计算依据本计算书所有公式、参数取值及结果修约规则均严格遵循GB/T12914—2018《纸和纸板抗张强度的测定恒速拉伸法（20mm/min）》的规定，确保计算结果与国家标准检测方法一致，具备工程可比性与可溯源性。2引用标准下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本计算书必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本计算书；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本计算书。序号标准编号标准名称实施日期1GB/T12914—2018纸和纸板抗张强度的测定恒速拉伸法（20mm/min）2019-07-012GB/T451.2—2023纸和纸板第2部分：定量的测定2024-07-013GB/T10739—2023纸、纸板和纸浆试样处理和试验的标准大气条件2024-07-014GB/T450—2008纸和纸板试样的采取及试样纵横向、正反面的测定2009-05-013术语与定义GB/T12914—2018界定的以及下列术语和定义适用于本计算书。3.1抗张强度tensilestrength在标准试验方法规定的条件下，单位宽度的纸或纸板断裂前所能承受的最大张力，以千牛每米（kN/m）表示。3.2断裂伸长率elongationatbreak在标准试验方法规定的条件下，试样断裂时的伸长量与初始试验长度之比，以百分数（%）表示。3.3抗张指数tensileindex抗张强度除以纸页定量所得的商，以牛顿米每克（N·m/g）表示，用于不同定量纸张之间的性能比较。3.4裂断长breakinglength假设纸页一端悬挂、自身重量作用下断裂时的理论长度，以千米（km）表示，为抗张指数与重力加速度的比值。3.5纵向（MD）machinedirection纸张在造纸机上运行的方向，即纸页成形过程中浆料流动的方向。纵向纤维定向程度高，抗张强度较大。3.6横向（CD）crossdirection垂直于造纸机运行方向的纸页方向。横向纤维排列较随机，抗张强度较低，伸长率较大。4计算参数与基础数据4.1试样基本参数试样按照GB/T450—2008的规定进行采取与纵横向鉴别。试样宽度为15.0mm，夹距（初始试验长度）为180mm。纵横向各取10条有效试样进行平行试验，结果取算术平均值。参数名称符号数值单位备注试样宽度b15.0mm标准试样宽度夹距（试验长度）L180mm两夹头间初始距离试样定量w80.0g/m²按GB/T451.2测定拉伸速度v20mm/min恒速拉伸纵向试样数n_MD10条有效试样横向试样数n_CD10条有效试样4.2试验条件试样处理与试验均在GB/T10739—2023规定的标准大气条件下进行：温度（23±1）℃，相对湿度（50±2）%。试样在标准大气条件下处理不少于24h，直至达到平衡状态。4.3原始测试数据纵横向各10条试样的最大抗张力及断裂伸长量实测数据如下表所示。试样编号纵向最大抗张力F_MD(N)纵向伸长量ε_MD(mm)横向最大抗张力F_CD(N)横向伸长量ε_CD(mm)186.27.3541.812.8284.97.1042.512.5387.17.4241.212.9485.37.0543.112.3584.67.1842.012.7686.87.3042.812.4785.57.1241.512.6884.26.9842.612.8986.07.2541.912.51085.47.2042.612.5平均值85.67.2042.312.65纵横向抗张强度计算5.1抗张强度基本公式根据GB/T12914—2018第9.2条，抗张强度S按下式计算： S=F̄b （式中：S——抗张强度，单位为千牛每米（kN/m）；F̄——最大抗张力的平均值，单位为牛顿（N）；b——试样的宽度，单位为毫米（mm）。注：当抗张强度数值较小时，亦可使用牛每米（N/m）作为单位。5.2纵向抗张强度计算将纵向平均最大抗张力F_MD=85.6N，试样宽度b=15.0mm代入式（1）： SMD=FMD即纵向抗张强度S_MD=5.71kN/m（三位有效数字）。5.3横向抗张强度计算将横向平均最大抗张力F_CD=42.3N，试样宽度b=15.0mm代入式（1）： SCD=FCD即横向抗张强度S_CD=2.82kN/m（三位有效数字）。5.4纵横向抗张强度各向异性比纵横向抗张强度之比（各向异性比）R_S按下式计算： RS=SMD纵向抗张强度约为横向的2.03倍，表明纸页纵向纤维定向程度较高，存在明显的各向异性。6断裂伸长率计算6.1断裂伸长率基本公式根据GB/T12914—2018第9.4条，断裂时伸长率A按下式计算： A=εL×100% 式中：A——断裂时伸长率，单位为百分数（%）；ε——试样断裂时的伸长量，单位为毫米（mm）；L——试样初始试验长度（夹距），单位为毫米（mm）。6.2纵向断裂伸长率计算将纵向平均断裂伸长量ε_MD=7.20mm，夹距L=180mm代入式（5）： AMD=εMD即纵向断裂伸长率A_MD=4.00%。6.3横向断裂伸长率计算将横向平均断裂伸长量ε_CD=12.60mm，夹距L=180mm代入式（5）： ACD=εCD即横向断裂伸长率A_CD=7.00%。6.4纵横向断裂伸长率比纵横向断裂伸长率之比R_A按下式计算： RA=ACD横向断裂伸长率约为纵向的1.75倍，与抗张强度各向异性呈反向关系，符合纸张纤维定向结构的力学特性规律。7抗张指数计算7.1抗张指数基本公式根据GB/T12914—2018第9.3条，抗张指数I按下式计算： I=1000×Sw （式中：I——抗张指数，单位为牛顿米每克（N·m/g）；S——抗张强度，单位为千牛每米（kN/m）；w——试样定量，单位为克每平方米（g/m²）。注：系数1000用于单位换算，将kN/m转换为N/m后再除以g/m²。7.2纵向抗张指数将S_MD=5.71kN/m，w=80.0g/m²代入式（9）： IMD=1000×S即纵向抗张指数I_MD=71.4N·m/g（三位有效数字）。7.3横向抗张指数将S_CD=2.82kN/m，w=80.0g/m²代入式（9）： ICD=1000×S即横向抗张指数I_CD=35.3N·m/g（三位有效数字）。8裂断长计算8.1裂断长基本公式裂断长L_B为抗张指数与重力加速度g的比值，按下式计算： LB=Ig式中：L_B——裂断长，单位为千米（km）；I——抗张指数，单位为N·m/g；g——重力加速度，取9.81m/s²。8.2纵向裂断长将I_MD=71.4N·m/g，g=9.81m/s²代入式（12）： LB,MD=IMD即纵向裂断长L_B,MD=7.28km。8.3横向裂断长将I_CD=35.3N·m/g，g=9.81m/s²代入式（12）： LB,CD=ICD即横向裂断长L_B,CD=3.60km。9安全核验9.1计算结果汇总将上述各步计算结果汇总如下表所示。序号性能指标符号纵向（MD）横向（CD）单位1抗张强度S5.712.82kN/m2断裂伸长率A4.007.00%3抗张指数I71.435.3N·m/g4裂断长L_B7.283.60km5纵横向各向异性比R2.03（S_MD/S_CD）1.75（A_CD/A_MD）—9.2与行业典型值对比核验将本计算结果与定量80g/m²胶版印刷纸的行业典型性能范围进行对比核验，结果如下表所示。指标本计算值（纵向）行业典型范围（纵向）本计算值（横向）行业典型范围（横向）判定抗张强度(kN/m)5.714.5~7.02.822.0~3.5合格断裂伸长率(%)4.002.0~6.07.005.0~10.0合格抗张指数(N·m/g)71.450~9035.325~45合格裂断长(km)7.285.0~9.03.602.5~4.5合格经对比核验，各项性能指标均处于胶版印刷纸行业典型范围内，计算结果合理可信。9.3精密度与误差核验根据GB/T12914—2018的规定，抗张强度测定的重复性标准差在纵向约为平均值的2%～3%，横向约为3%～5%。本计算中10条试样的变异系数经计算均在标准允许范围内，数据离散性可控。断裂伸长率测定的重复性标准差约为平均值的5%～8%，本计算数据变异系数同样在允许范围内。所有结果均按标准要求保留三位有效数字，修约规则符合GB/T8170的规定。10结果分析10.1纵横向差异分析计算结果表明，纵向抗张强度（5.71kN/m）显著高于横向（2.82kN/m），各向异性比达2.03。这一现象的根本原因在于造纸过程中纸浆在网部成形时，纤维受流动方向的剪切作用而沿纵向排列，纵向纤维间结合面积大、承载能力强；而横向纤维排列较为随机，纤维搭接效率较低，因此抗张强度较低。与之相反，横向断裂伸长率（7.00%）高于纵向（4.00%），比值为1.75。这是由于纵向纤维高度定向排列，受力时纤维间滑动空间有限，表现为脆性较大、伸长率低；而横向纤维排列方向分散，受力时纤维可发生重新取向与滑移，因而变形能力更强、伸长率更高。10.2抗张强度与伸长率关系分析从纵横向对比可以看出，抗张强度与断裂伸长率在纸页中呈现明显的反向关系：强度高的方向伸长率低，强度低的方向伸长率高。这一特性决定了纸张在不同方向上的应用限制——纵向适合承受大拉力载荷，横向则具有更好的缓冲与变形适应能力。在印刷机运行过程中，纸张主要承受纵向拉力，因此纵向抗张强度是保证印刷运行性的关键指标；而横向伸长率则与纸张的套印精度、尺寸稳定性密切相关。横向伸长率过大可能导致多色套印时的套准偏差，过小则可能导致纸页脆裂、掉粉。10.3各向异性成因分析纵横向各向异性比是评价纸页成形均匀性的重要指标。一般而言，长网造纸机抄造的纸张纵横向抗张强度比在1.5～2.5之间，本样品比值为2.03，处于中等偏高水平。影响各向异性的主要因素包括：浆料打浆度（打浆度越高，纤维结合力越强，各向异性比可能增大）、网部脱水速度（脱水越快，纤维定向越显著）、车速（车速越高，纵向剪切力越大，纤维定向越明显）、以及浆料配比（长纤维含量高的纸种各向异性更显著）。11工程指导意义基于上述计算与分析结果，本计算书对实际工程应用具有以下指导意义：11.1印刷工艺优化纵向抗张强度5.71kN/m可满足中高速胶印机的运行要求。在印刷机张力设定时，应将纵向工作张力控制在抗张强度对应载荷的15%～25%范围内，即单张纸宽度方向上的工作张力不超过0.86～1.43kN/m，以避免纸页拉伸变形或断裂。11.2后加工工艺指导横向断裂伸长率7.00%表明纸张具有较好的横向变形能力，适合进行模切、压痕等后加工工序。但需注意横向伸长率随环境湿度变化的特性——当环境湿度升高时，横向伸长率会显著增大，可能导致印刷品尺寸漂移。建议将成品存放环境相对湿度控制在（50±5）%范围内。11.3产品质量改进方向若需进一步降低纵横向各向异性、提高横向强度，可从以下工艺方向着手：优化网部成形板与脱水板角度，降低纤维纵向定向程度；适当提高网部摇摆装置振幅，增强纤维横向交错；在浆料配比中增加短纤维比例，改善横向结合。11.4包装与运输建议由于纵向抗张强度较高而横向较弱，纸卷在搬运与存储过程中应避免侧向挤压与碰撞，防止横向受力导致纸卷变形或断纸。纸卷堆放高度不宜超过规定层数，底部纸卷承受的压力应控制在纸页横向压缩强度允许范围内。12免责声