CC BY
72
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Так как параметр растворимости воды равен 46,2 Дж1/2/см3/2, гемицеллюлозные пленки, образованные на поверхности волокон, растворяться не будут. Это и подтверждается экспериментально, поскольку для набухания различных макулатур требуется очень большое количество времени [5].
Для ускорения растворения монопленок на поверхности волокон и улучшения бумагообразующих свойств макулатуры в работе предлагается гидротермическая обработка не водой, а раствором щелочи, параметр растворимости которого наиболее близок к параметру растворимости монопленки. Для раствора NaOH в воде с концентрацией 1,5 % параметр растворимости равен
5NaOH = 40 Дж1/2/см3/2.
Библиографический список
1. Агеев, М.А. Усадочные напряжения в бумаге при сушке / М.А. Агеев // Химическая промышленность. - 2006. - № 10. - С. 470-480.
2. Мозырева, Е.А., Каталитическая делигнифика-ция древесины / Е.А. Мозырева, А.В. Вураско, М.А. Агеев и др. // Международный симпозиум студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие». - М., 1996. -С. 27-30.
3. Тагер, А.А. Растворы высокомолекулярных соединений / А.А. Тагер. - М.: ГОСХИМИЗДАТ, 1951. - 207 с.
4. Аскадский, А.А. Химическое строение и физические свойства полимеров / А.А. Аскадский, Ю.И. Матвеев. - М.: Химия, 1983. - 243 с.
5. Агеев, М.А. Кинетика набухания волокон макулатуры / М.А. Агеев, В.Л. Глузман // Химия растительного сырья. - 2007. - № 1. - С. 95-98.
ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ КВАЛИМЕТРИЧЕСКОЙ ОцЕНКИ УПАКОВОЧНЫХ ВИДОВ БУмАГИ
М.А. АГЕЕВ, доц. каф. химии древесины и технологии цел.-бум. производств УГЛТУ, канд. техн. наук,
В.Л. ГЛУЗМАН, асп. каф. химии древесины и технологии цел.-бум. производств УГЛТУ
Производство бумаги - чрезвычайно сложный и трудоемкий процесс, включающий значительное количество операций, позволяющих превратить практически чистую воду - волокнистую суспензию (0,3-0,6 % а.с. волокна) в твердое тело - бумагу. Бумажная масса в процессе получения бумаги поступает в напорный ящик из массоподводящей трубы, задача которого - распределить поступающую на сеточный стол массу равномерно по всей ширине сеточного стола (от трех до восьми метров) как по концентрации, так и по скорости и толщине. На сеточном столе бумажная масса обезвоживается до сухости 17-20 %, вначале под действием гидростатических сил, затем принудительно под действием разряжения в отсасывающих ящиках.
Дальнейшие операции связаны с прессованием бумажного полотна, его сушкой в сушильной части бумагоделательной машины, намоткой на накат и последующей резкой на необходимые форматы.
Каждая из отмеченных операций насчитывает колоссальное количество факторов,
влияющих на качество бумажного полотна, которое пока не доступно аналитическому описанию или регулированию с помощью системы автоматического управления. Поэтому производство бумаги до настоящего времени еще не стало наукой, а является искусством одного человека - машиниста бумагоделательной машины. От того, насколько опытен машинист, богата его интуиция, во многом зависят результаты работы бумагоделательной машины.
Человеческий фактор при производстве бумаги играет значительную, если не главную роль в вопросах повышения качества продукции и, следовательно, конкуренции на рынке.
В нашей работе сделана попытка на основе квалиметрических представлений выявить наиболее часто встречающиеся дефекты при производстве мешочной бумаги на бумагоделательной машине № 1 Новолялинского ЦБК, оценить работу сменных бригад, выявить недостатки, присущие каждой бригаде, установить причинно-следственные связи дефектов и дать рекомендации по их устранению.
138
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Таблица 1
Данные по дефектам четырех бригад
Тип дефектов Бригады Всего
1 2 3 4
число дефектов % дефектов число дефектов % дефектов число дефектов % дефектов число дефектов % дефектов
РУ 347 30,76 463 37,98 339 33,53 389 35,36 1538
У 312 27,66 334 27,40 254 25,12 293 26,64 1193
СР 230 20,39 223 18,29 202 19,98 201 18,27 856
М 16 1,42 17 1,39 19 1,88 15 1,36 67
Возд. 13 1,15 6 0,5 16 1,58 12 1,09 47
Вл. 6 0,53 9 0,74 4 0,40 8 0,73 27
Впит. 0 0 1 0,08 3 0,30 0 0 4
Прочие 204 18,09 166 13,62 174 17,21 182 16,55 726
ИТОГО 1128 100 1219 100 1011 100 1100 100 4458
Примечание. РУ - разрушающее усилие; У - удлинение; СР - сопротивление раздиранию; М - масса 1 м2; Возд. - воздухопроницаемость; Вл. - влажность; Впит. - поверхностная впитываемость.
В работах [1, 2, 3] был проведен статистический анализ работы четырех бригад Новолялинского цБК по материалам отдела технического контроля бумажного цеха с июня по август 2006г.
Причины изменений качества мешочной бумаги очень разнообразны, и их воздействие различно. Все возможные причины делятся на две группы. К первой относится небольшое число причин, которые оказывают существенное воздействие (их называют «немногочисленные существенно важные»). Вторую группу составляет большое число причин, оказывающих незначительное воздействие (их называют «многочисленные несущественные»). Выяснив причины немногочисленных существенно важных дефектов, можно устранить почти все потери.
Все отклонения значений от стандартных показателей (показатели ГОСТ 2228-81) в сторону снижения качества рассматриваются как дефекты (табл. 1).
Из табл. 1 видно, что для всех бригад самым распространенным является дефект по разрывному грузу с некоторым варьированием в пределах от 339 до 463 дефектов. Практически отсутствуют дефекты по показателям впитываемости, влажности и воздухопроницаемости. Существенный процент составляют прочие дефекты, и в дальнейшей работе следует провести их анализ.
Полученные результаты работы бригад Новолялинского цБК позволяют построить
диаграмму Каоро Исикавы, изображающую зависимость между следствием (качественные показатели мешочной бумаги и картона) и причинами допущенных бригадами дефектов (брака) продукции.
В результате квалиметрической оценки работы бригад установлено, что максимальное количество дефектов, допущенных бригадой № 1, относится к показателю удлинение (27,66 %).
Изобразим этот показатель в виде следствия как горизонтальную линию (рис. 1).
Согласно литературным и практическим данным, основными факторами, влияющими на удлинение при разрыве, являются: вытяжка бумажного полотна при прохождении его вдоль различных частей бумагоделательной машины, соотношение скоростей напуска бумажной массы и скорости сетки, размол, наличие связующих и проклеивающих веществ. Обозначим их стрелками к основному следствию. На эти первопричины, поскольку мы рассматриваем только те из них, которые зависят только от квалификации рабочих (все остальные: сырье, полуфабрикаты, состояние оборудования в данном случае рассматриваются как постоянные - неизменяемые во времени факторы), можно воздействовать различными приемами, изменяя их действие на удлинение.
Рассмотрим, как влияет соотношение скоростей напуска массы и скорости сетки на удлинение.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008
139
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Таблица 2
Механические показатели мешочной бумаги в зависимости от угла наклона
№ бригады Угол, град Разрушающее усилие в поперечном направлении, кгс Относительное удлинение в поперечном направлении, % Сопротивление раздиранию в машинном направлении, г
1 0 4,4 4,6 88
15 4,5 4,6 96
30 3,5 3,6 104
45 5,1 3,0 96
60 5,9 2,6 96
75 5,6 2,0 104
90 6,8 2,1 104
2 0 5,4 5,1 96
15 5,3 4,2 80
30 7,1 4,6 104
45 8,1 3,9 88
60 8,7 3,2 88
75 9,2 2,7 80
90 9,3 2,8 80
3 0 5,2 5,4 104
15 5,5 4,4 96
30 6,1 3,4 104
45 7,1 3,2 88
60 9,1 3,3 96
75 10,1 2,7 96
90 9,0 2,4 104
4 0 3,9 4,5 88
15 4,6 5,1 88
30 5,2 4,7 104
45 5,1 3,5 104
60 5,5 3,5 104
75 6,4 2,8 104
90 8,6 2,7 88
Рис. 1. Анализ причин относительного удлинения в поперечном направлении
140
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Известно, что расположение волокон в структуре бумаги является одним из факторов, влияющих на прочность бумаги [5]. Расположение волокон в бумаге обеспечивается различным соотношением скорости истечения массы из напорного ящика и скорости сетки, что находится в компетенции машиниста бумагоделательной машины и регулируется им путем изменения ширины выпускной щели напорного ящика и концентрацией массы в напорном ящике. Важную роль при управлении ориентацией волокон на сеточном столе играет режим тряски. Анализ результатов экспериментов по влиянию ориентации волокон на относительное удлинение и прочность бумаги (разрушающее усилие) представлен в табл. 2.
При изменении ориентации волокон разрушающее усилие и относительное удлинение изменяются обратно пропорционально. Максимальное удлинение, как и минимальная разрушающее усилие, наблюдается при распределении волокон в машинном направлении. Минимальное удлинение и максимальное разрушающее усилие наблюдается при расположении волокон в поперечном направлении.
Таким образом, на первопричину - отношение скоростей напуска массы и скорости сетки, влияет уровень массы в напорном ящике, ее концентрация и ширина открытия щели напорного ящика.
На показатель относительного удлинения бумаги оказывают значительное влияние длина волокон, из которых изготовлена бумага, их гибкость, и та же сила связи между волокнами. Практика показывает, что наибольшей способностью удлиняться отличаются длинноволокнистые виды бумаги. Таким образом, целенаправленный процесс размола, при котором происходит преимущественно фибрилляция волокна (увеличивающая гибкость волокна и силы связи между ними), является важным фактором, который необходимо контролировать в рамках заданных технологическим регламентом показателей размола. Весовой показатель, характеризующий среднюю длину волокна, зависит от концентрации бумажной массы, поступающей в дисковую мельницу, величину присадки ротора
мельницы, времени размола. Все эти рычаги в той или иной степени должен использовать машинист БДМ для получения бумаги с максимальным удлинением. При определении результирующей влияние факторов - гибкость волокон и сила связи между ними - следует учитывать, что они действуют не строго в одном и том же направлении. Например, увлажнение бумаги способствует увеличению гибкости волокон, но одновременно уменьшаются силы связи между ними.
Если это уменьшение не превзойдет определенного предела, то оно положительным образом скажется на относительном удлинении бумаги, т.к. при этом облегчается подвижность и скольжение волокон в системе бумажного листа с устранением их жесткого закрепления и связанной с этим хрупкости.
Сухая и тем более пересушенная бумага отличается пониженной способностью удлиняться до разрыва. Однако чрезмерное увлажнение бумаги уже отрицательным образом скажется на показателе относительного удлинения бумаги до разрыва, так как силы связи между волокнами станут настолько слабыми, что бумага не сможет противостоять приложенной к ней растягивающей силе: сразу же произойдет разрыв без заметного удлинения испытуемой полоски бумаги. В. Брехт отметил, что влажное полотно бумаги после сеточного стола имеет показатель удлинения, в три-четыре раза превышающий соответствующий показатель той же бумаги в сухом состоянии при сопротивлении разрыву 1/100-1/20 от соответствующего сопротивления разрыву сухой бумаги.
Уменьшение относительной влажности окружающего воздуха влечет за собой соответствующее понижение влажности бумаги, находящейся в атмосфере этого воздуха, а это снижает показатель удлинения бумаги.
Так как размол в дисковой мельнице при высокой концентрации целлюлозы способствует фибриллированию волокон при максимальном сохранении их длины, этим обеспечивается и получение высокого показателя удлинения бумаги до разрыва, что существенно при выработке мешочной бумаги.
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 3/2008
141
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Прессование
Удельное
давление
Вакуум
Сукна
Работа сукномоек
Сушка
Ориентация
волокон
Натяжение сукон и бумаги
Температура
сушильных
цилиндров
рН
Дзета-потенциал
Г идродинамика в напорном ящике
Сеткотряска
Соотношение скоростей сетки и истечения массы
Средняя длина волокна
Концентрация массы, удельное
Разрушающее
усилие
Количество оборотной воды в смесительный насос
Концентрация массы
Электролитный
фон
Степень помола
Концентрация массы, удельное давление при размоле
◄-------------------
Концентрация массы в машинном бассейне
Помол волокна
Рис. 2. Анализ причин связи показателя разрушающего усилия
Одновременно с удлинением полоски бумаги при разрыве наблюдается уменьшение ее ширины, т.е. уменьшение размера в направлении, перпендикулярном действию нагрузки. Это уменьшение ширины испытуемой полоски бумаги Ав связано с коэффициентом Пуассона, равным К = Ав / Аа. Здесь Аа - величина удлинения бумаги в направлении действия нагрузки.
При прохождении бумаги по бумагоделательной машине удлинение бумажного полотна в машинном направлении контролируется замером скорости сеточного стола, прессовой и сушильной частей БДМ.
В значительной степени растяжимость бумаги зависит от технологического режима ее изготовления на бумагоделательной машине и от конструктивных особенностей машины. Для повышения способности бумаги растягиваться до разрыва необходимо принять меры, ограничивающие вытяжку бумажного
полотна при изготовлении на бумагоделательной машине.
Скорость отдельных узлов БДМ не должна иметь чрезмерно большого различия. Усадка бумажного полотна при его сушке должна быть по возможности полной. В работах [6, 7] показано влияние усадочных напряжений на физико-механические показатели мешочной бумаги. Максимальная усадка достигается медленной сушкой бумаги при относительно невысокой температуре сушильной поверхности. Растяжимость бумаги в поперечном направлении можно повысить сочетанием сильного натяжения бумажного полотна и слабым натяжением сушильных сукон.
Из вспомогательных веществ, вводимых в бумажную массу, благоприятное влияние на увеличение показателя относительного удлинения бумаги оказывают латексы, карбамидные и меламиновые смолы, крахмал, кар-боксиметилцеллюлоза и пластификаторы.
142
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Таблица 3
Данные для построения диаграммы Парето
Тип дефектов Бригады Всего
1 2 3 4
число дефектов % дефектов число дефектов % дефектов число дефектов % дефектов число дефектов % дефектов
РУ 147 20,88 158 23,48 141 21,53 133 20,65 579
У 112 15,91 124 18,42 139 21,22 121 18,79 496
СР 222 31,53 215 31,95 198 30,22 195 30,28 830
М 11 1,56 12 1,78 15 2,29 12 1,86 50
Возд. 15 2,13 7 1,04 14 2,14 10 1,55 46
Вл. 8 1,14 10 1,49 2 0,31 10 1,55 30
Впит. 0 0 2 0,29 2 0,31 1 0,16 5
Прочие 189 26,85 145 21,55 144 21,98 162 25,16 640
ИТОГО 704 100 673 100 655 100 644 100 2676
Примечание: РУ - разрушающее усилие; У- удлинение; СР - сопротивление раздиранию; М - масса 1 м2; Возд. - воздухопроницаемость; Вл. - влажность; Впит. - поверхностная впитываемость.
Прочность на разрыв меняется в противоположную сторону от изменения удлинения. Однако однозначной зависимости между прочностью на разрыв и удлинением, как это видно из рассмотрения данных Б. Стенберга [8], нами не обнаружено. Анализ результатов работы отдельных бригад показывает, что колебания прочности бумаги на разрыв в зависимости от технологических факторов более значительны, чем изменение показателя удлинения. Построим диаграмму (рис. 2) Каоро Иссикавы, изображающую зависимость между разрывным грузом (следствием) и теми факторами (причины), которые зависят только от квалификации рабочих бригады № 2, которые допускали максимальное количество дефектов по этому показателю.
Расположение волокон в бумаге - один из основных факторов, влияющих на прочность бумаги. Ориентация волокон обеспечивается различным соотношением скорости истечения массы из напорного ящика и скорости сетки, что находится в компетенции машиниста БДМ и регулируется путем изменения уровня массы в напорном ящике, концентрацией массы и гидродинамикой потока бумажной массы в напускном устройстве (количество рециркулирующей массы в потокораспределителе). Степень ориентации волокон определяем отношением разрывного груза бумаги, измеренного в машинном и поперечном направлениях. Степень ориентации волокон максимальна при угле 60°, при этом для лицевой, средней и привод-
ной катушки разброс показателей разрывного груза достигает более 4 кг при минимальном разбросе по удлинению. Это говорит о плохой структуре бумажного полотна, колебании массы 1 м2, плохом просвете, флокуляции волокон на сеточном столе, поскольку показатель прочности зависит от размера образца (полоска бумаги шириной 15 мм и длиной 180 мм). Поэтому для устранения такого дефекта, как низкие показатели по разрывному грузу, бригаде № 2 следует улучшить структуру формующегося слоя бумаги на сеточном столе.
Важную роль в ориентации волокон на сеточном столе играет режим тряски. Амплитуда и частота колебаний зависят от средней длины волокна, концентрации массы на сеточном столе и скорости сетки. Оптимальные параметры тряски подбираются экспериментально.
Прочность бумажного листа зависит не только от прочности связи между волокнами, но и прочности самих волокон. Чем прочнее межволоконные силы связи, тем относительно большее количество волокон окажется разорванными в плоскости разрыва полоски бумаги. Таким образом, с увеличением степени помола бумажной массы возрастает количество разорванных волокон в бумаге, изготовленной из этой массы.
Количество контактов между волокнами (или связей между ними) зависит от общей длины волокнистого материала в листе, ширины волокон, их гибкости и не зависит от длины
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008
143
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
отдельных волокон. Таким образом, рубка волокон, сопровождаемая уменьшением их длины, теоретически не уменьшает общего числа контактов волокон в листе, а лишь уменьшает число контактов одного волокна. Поэтому падение прочности бумаги, вызванное поперечной рубкой волокон, является следствием не уменьшения общей площади связей в листе, а обусловлено уменьшением площади связей отдельного волокна. При испытании бумаги на разрыв такие укороченные и нефибрилли-рованные волокна легче растаскиваются по обе стороны от места разрыва.
Бумажный лист должен состоять из гетерогенных волокон, т.е. в нем должно быть некоторое количество мелких волокон, заполняющих пространства между длинными, что придает бумаге большую однородность. В однородной бумаге, содержащей в композиции наряду с длинными волокнами хорошо разработанные мелкие, наблюдается известное повышение величины общей площади, на которой между волокнами устанавливаются связи, что и проявляется в повышении механической прочности такой бумаги.
Величина удельного давления при прессовании сказывается как на взаимном расположении волокон, так и на величине сил сцепления их между собой.
Изменение степени натяжения бумажного полотна в отдельных секциях машины или натяжение сушильных сукон, а также введение в бумажную массу гидрофильных добавок, например катионного крахмала, приводит к изменению величины сил сцепления между волокнами, что сказывается на прочности бумаги.
Фляте со ссылкой на А.А. Долгиреву указывает, что электролиты, растворенные в воде, снижают механическую прочность бумаги и, в частности, ее сопротивление разрыву, при этом чем выше валентность катиона, тем больше снижается разрывной груз.
При малой концентрации растворов солей и небольшом количестве обменно поглощенных катионов, благодаря увеличению рыхлости структуры из-за уменьшения числа водородных связей, способность бумаги к удлинению повышается. Дальнейшее введение катиона вызывает увеличение жесткости
структуры, что влечет за собой снижение растяжимости бумаги.
На основании проведенных исследований в технологический процесс были внесены соответствующие корректирующие мероприятия, после внедрения которых вновь собрали данные о возникающих дефектах при производстве бумаги мешочной.
Общее количество дефектов по предприятию снизилось с 4458 до 2676, т.е. почти на 40 %. При этом дефекты по разрушающему усилию снизились в среднем в 2,6 раза с 1538 до 579 (более 60 %), а дефекты по относительному удлинению снизились в среднем в 2,4 раза с 1193 до 496 (около 60 %). Количество дефектов по остальным показателям на данном этапе осталось на прежнем уровне.
Библиографический список
1. Глузман, В.Л. Использование диаграммы Парето для оценки дефектов мешочной бумаги / В.Л. Глузман, М.А. Агеев, А.А. Николаенко // III Всероссийская научно-техническая конф. студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи
- лесному комплексу России»: матер. конф. - Екатеринбург, 2007. - С. 21-23.
2. Глузман, В.Л. Квалиметрическая оценка мешочной бумаги марки М-78А ОАО «Новолялинский ЦБК» / В.Л. Глузман, М.А. Агеев, С.В. Чернышева // III Всероссийская научно-техническая конф. студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи - лесному комплексу России»: матер. конф.
- Екатеринбург, 2007. - С. 48-51.
3. Глузман, В.Л. Адаптация методов квалиметрии к продукции целлюлозно-бумажной промышленности / В.Л. Глузман, М.А. Агеев // Международная научно-практич. конф. «Современные системы контроля и управления качеством бумаги и картона». сб. трудов. - СПб., 2007. - С. 78-86.
4. Кумэ, Х. Статистические методы повышения качества / Хитоси Кумэ; перевод с яп. Ю.П. Адлера, Л.А. Канаревой // Стандарты и качество. - 1992.
- № 10. - С. 71-72.
5. Непеин, В.Н. Роль ориентации волокон в формировании прочности промышленной бумаги / В.Н. Непеин, А.И. Киприанов, С.В. Бабурин // Совершенствование производства бумаги и картона: сб. трудов ЦНИИБ. - М., 1973. - С. 27-32.
6. Агеев, М.А. Усадочные напряжения при сушке / М.А. Агеев, В.Л. Глузман. - М.: Московский гос. горный ун-т, 2006. - 14 с.
7. Агеев, М.А. Усадочные напряжения в бумаге при сушке / М.А. Агеев // Химическая промышленность. - 2006. - № 10. - С. 470-480.
8. Фляте, Д.М. Свойства бумаги / Д.М. Фляте. - М.: Лесная пром-сть, 1986. - 680 с.
144
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008
