CC BY
32
УДК 676.017
О. С. Беляев, Я. В. Казаков, О. С. Михайлова ВЗАИМОСВЯЗЬ МАКРОСТРУКТУРЫ И ФИЗИКО - МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАРТОНА
Ключевые слова: картон, вариация свойств, жесткость, формование, анизотропия.
Для снижения вариации показателей прочности картона предложено контролировать физико - механические свойства во взаимосвязи с количественной оценкой неоднородности структуры картона. При таком подходе все исходные данные о качестве продукции могут быть получены неразрушающими методами с перспективой применения on - line измерений.
Keywords: cardboard, properties variation, stiffness, formation, anisotropy.
To reduce the variation of the cardboard strength proposed to monitor the physical and mechanical properties in relation to the quantitative evaluation of cardboard structure heterogeneity. With this approach, all the original data of the products quality can be obtained by non-destructive methods with the prospect of on - line measurements.
Введение
Технология изготовления картона определяет неоднородность его структуры и обуславливает значительную вариацию свойств и колебание ее величины на различных участках картонного полотна. Вариация свойств картона определяется условиями агрегирования первичных элементов структуры картона - волокон целлюлозы различной природы и степени разработки, которые в совокупности с условиями формования картонного полотна приводят к образованию макронеоднородностей, как результата неравномерного распределения волокон и их ориентации в объеме листа [1].
В настоящее время все большее распространение получают неразрушающие экспресс методы для оценки структуры и свойств бумаги и картона. Из этих методов наибольшее распространение получили ультразвуковой метод определения эластических (упругих) свойств бумаги и картона [1,2,3] и оптический метод определения неоднородности макроструктуры бумаги и картона [4]. Перспективность использования этих методов обуславливается возможностью применения в оп - line режиме, и прогнозирования на их основе совместно с информацией о значениях показателей толщины и массы 1 м2, стандартных механических характеристик картона, вырабатываемого на картонодела-тельной машине (КДМ) [3].
Для определения упругих свойств бумаги и картона в мировой практике сегодня используется неразрушающий ультразвуковой метод испытаний, который реализован в приборе L&W TSO Tester (TSO - Tensile Stiffness Orientation - направление ориентации жесткости при растяжении) [2]. Метод основан на определении взаимосвязи скорости прохождения ультразвука в плоскости бумаги с ее эластичностью (упругостью), а также, по мнению разработчиков, со стандартными механическими свойствами, такими, как сопротивление разрыву, раздиранию, сжатию и продавливанию.
Для количественной оценки неоднородности структуры используют анализаторы формования, использующие неразрушающие оптические методы. Получаемое на этих приборах цифровое изображение участка бумаги или картона в поляризованном проходящем свете, обрабатывается мето-
дами частотного Фурье - анализа и рассчитываются характеристики, количественно оценивающие как общую неоднородность структуры, так и вклад в общий результат неоднородностей.
Цель настоящей работы - определение взаимосвязи количественной характеристики макроструктуры и физико - механических свойств картона для плоских слоев гофрированного картона, вырабатываемого на современной картоноделательной машине и создание математической модели для прогнозирования стандартных характеристик качества картона по результатам неразрушающего контроля.
Материалы и методы исследований
В работе представлены результаты анализа вариации характеристик картона крафт - лайнер массой 1 м2 115, 140 и 170 г, содержащего в композиции сульфатную хвойную целлюлозу высокого выхода (ЦВВ) и лиственную полуцеллюлозу (ПЦ). Испытания проведены в лаборатории ИТЦ «Современные технологии переработки биоресурсов Севера» Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова [5].
Использованные в эксперименте образцы представляют собой полосы картона длиной 6300 мм и шириной 300 мм, длина полосы соответствует ширине КДМ. По 5 образцов для каждой массы 1 м2 картона отбирались через равные промежутки времени. Полосы картона подготовлены с использованием подрезчика L&W Sample Trimmer. Измерения свойств полосы картона неразрушающими методами производилось с шагом 100 мм, что практически соответствовало непрерывному профилю картона по 62 позициям. Затем из полосы картона вырезали образцы, физико - механические свойства которых оценивались стандартными методами.
В образцах картона определялись:
а) неразрушающие характеристики на всей полосе картона:
- анизотропия жесткости при растяжении ультразвуковым методом на приборе L&W TSO Tester [2];
- оценка неоднородности структуры на анализаторе формования PTA-Line Formation Tester [4];
- толщина картона б, мкм, на приборе L&W Micrometer по ГОСТ 27015-86 [6];
б) Характеристики жесткости и прочности на вырезанных из полосы картона образцах:
- индекс жёсткости при изгибе SbCD, кН-м/кг на приборе Messmer Büchel 116 - BD по ГОСТ ISO 2493-96 [8];
- индекс сопротивления сжатию короткого образца SCT, кН/м/кг на приборе ИТС-403 (Иваново) по ISO 9895:1989 [7];
- индекс сопротивления продавливанию П, кПа на приборе L&W Bursting Strength Tester по ГОСТ 13525.8-86 [9].
в
Рис. 1 - Изображение макроструктуры картона на просвет, полученные на анализаторе PTA-Line Formation Tester: а - картон 115; б - 140; в - 170 г/м2
Испытания целлюлозно-бумажного волокнистого материала на ТSО - тестере позволяют количественно оценить жесткость при растяжении, анизотропию жесткости материала и ее изменение по ширине картона на накате КДМ. На ТSО -тестере получают характеристики: TSIMD - индекс жесткости в машинном направлении; TSICD - индекс жесткости в поперечном направлении; TSIMD/CD - соотношение индексов жесткости в машинном и поперечном направлении; TSlArea - площадь арахисопо-
добного эллипса жесткости при растяжении, измеренной по всем направлениям; TSO-angle - угол ТСО [2,3].
Для количественной характеристики неоднородности структуры картона в эксперименте использован PTA - Line Formation Tester [4], на котором получают цифровое изображение участка бумаги или картона, размером 12*12 см в поляризованном проходящем свете. Затем методами частотного Фурье - анализа рассчитываются характеристики: индекс формования /ф, характеризующий сумму интенсивности колебаний неоднородности яркости пикселей, средний размер флоккул в направлении осей ОХ и ОУ Lx и Ly, мм; средний угол ориентации флоккул ©, характеристика неоднородностей с размерами 1, 2, 3, 6, 10 и 16 мм.
Примеры получаемых изображений представлены на рис.1, которые демонстрируют неоднородность макроструктуры каждого фрагмента картона и существенные влияние на неоднородность массы 1 м2.
Отметим, что при получении данных образцов картона поверхностные обработки [10] не применялись.
Для всех измеренных характеристик проведена статистическая обработка и рассчитаны характеристики: среднее значение X; среднеквадратиче-ское отклонение стХ; минимальное Xmin и максимальное Xmax значение; размах варьирования R, коэффициент вариации v, % [11].
Результаты и обсуждение
В таблице 1 представлены результаты статистической обработки показателей качества картона. Приведены значения статистических показателей для 5 образцов, для каждого из которых проведены измерения по 62 позициям по длине полосы картона, соответствующей ширине КДМ, всего по 310 измерений.
Сравнение степени изменчивости показателей по ширине КДМ по величине коэффициента вариации v, %, для стандартных характеристик показала, что при малой вариации толщины (v=1,6...3,7 %), которая контролируется и поддерживается в заданных пределах АСУТП, вариация сопротивления продавливанию составляет 7,7.13,6 %, сопротивления сжатию SCTcd - 6,6.8,5 %, сопротивления изгибу SbCD - 10,6...20,3 %.
Таблица 1 - Статистическая характеристика показателей крафт - лайнера
Харак-тери- m, г/м2 X Xmin Xmax R стх v, %
стика
1 2 3 4 5 6 7 8
б, мкм 115 175 163 200 37 6,6 3,7
140 209 190 225 35 6,5 3,1
170 256 245 270 26 4,0 1,6
TSImd 115 13,3 12,6 14,0 1,4 0,27 2,1
кН-м/г 140 13,5 12,3 14,5 2,2 0,37 2,7
170 12,9 11,6 14,4 2,7 0,37 2,9
Окончание таблицы 1
1 2 3 4 5 6 7 8
ТБ!со кН-м/г 115 140 170 4.6 4.7 4,5 3,2 3.6 3.7 5,3 5,2 5,0 2,1 1,7 1,3 0,48 0,37 0,32 10,6 7,9 7,1
ТБ!мо/с 115 2,93 2,51 4,18 1,67 0,33 11,3
и 140 170 2,90 2,88 2,60 2,59 3,70 3,44 1,10 0,85 0,20 0,16 6,9 5,4
ТБ!Агеа кН-м2/г 115 140 170 25,2 25,5 24,5 22,1 22,4 21,9 27.2 27,6 26.3 5.1 5.2 4,4 1,24 1,12 1,03 4,9 4,4 4,2
ТБО-впд/в 115 140 170 -1,6 -0,9 0,4 -9,4 -5,5 -5,9 7,8 4,8 5,1 17.2 10.3 11,0 4,53 2,35 2,35 -
ф 115 140 170 338 348 363 288 299 293 393 403 443 105 105 150 20,6 15,8 27,3 6,1 4,5 7,5
мм 115 140 170 6,07 6,18 6,24 5,11 5,40 5,56 6,97 7,03 7,35 1,86 1,63 1,80 0,29 0,28 0,28 4,8 4,5 4,4
П, кПа/кг 115 140 170 4,25 3,97 3,65 2,71 3,24 2,33 6,20 4,75 4,50 3,49 1,51 2,17 0,58 0,31 0,32 13,6 7,7 8,7
ЗОТсй, кН/м/кг 115 140 170 20,0 18,8 17,6 15,2 13,2 14,5 26,2 22,1 20,7 11,0 9,0 6,2 1,71 1,38 1,16 8.5 7,4 6.6
г. си Ьь , кН-м/кг 115 140 170 3,34 3,47 4,94 1,83 2,15 3,46 5,19 5.05 6.06 3,36 2,90 2,61 0,68 0,49 0,52 20,3 14,1 10,6
Применение неразрушающих методов контроля качества картона, дали следующий результат: вариация жесткости при растяжении, измеренной ультразвуковым способом, составила в машинном направлении (ТБ!ми) - 2,2...2,9 %, в поперечном направлении (ТБ!си)- 7,1.10,6 %, по анизотропии ТБ!ми/си - 5,4.11,3 %.
Вариация характеристик неоднородности структуры, измеренная оптическим способом составила: по индексу формования, оценивающему общую неоднородность, составила 4,5.6,5 %, по среднему размеру неоднородностей - 4,4.4,8 %.
Причиной высокой вариации механических показателей является высокая неоднородность структуры, при этом чётко видно, что с уменьшением массы 1 м2 картона, вариация практически всех характеристик повышается.
Структура картона с большей массой сформирована благодаря изменившимся условиям формования, таким как снижение скорости БДМ, отношение скорости массы, поступающей на машину, к скорости сетки; повышенная концентрация массы в напорном ящике, лучшее удержание массы и некоторые другие. С другой стороны, хлопьеобразование длинных и жестких волокон ЦВВ [11] в большей степени влияет на неоднородность свойств картонов с меньшей массой.
Отметим, что в настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к снижению массы 1 м2 картона, и, следовательно, проблема неравномерности свойств картона будет усугубляться и для ее
решения потребуется более тщательный технологический контроль.
Дополнительная информация о варьировании характеристик качества картона была получена на основании анализа гистограмм распределения. На рис. 2 представлены гистограммы распределения некоторых, наиболее важных свойств картона. Распределение, близкое к нормальному демонстрируют стандартные характеристики (рис.2 а,б) и характеристики неоднородности формования (рис.2 г). В то же время, характеристики, определенные ультразвуковым методом, имеют ассиметричные распределения, в основном из - за ТБ!си, что отражается на распределении степени анизотропии жесткости ТБ!ми/си, (рис.2 в). В данном случае свой вклад в вариацию, по всей видимости, вносит неравномерность профиля ТБ!си, при котором на краях картонного полотна по ширине КДМ его значение существенно ниже.
Влияние массы 1 м2 и толщины на величины механических характеристик может быть нивелировано при использовании индексов за счет отнесения величины характеристики к массе 1 м2.
Средние величины толщины картона с разной массой 1 м2 различаются весьма существенно: 175-209-256 мкм, и гистограммы их распределения практически не накладываются друг на друга (рис.2 а). Аналогично, практически отдельно друг от друга располагаются гистограммы прочностных свойств картона.
Индексы большинства механических характеристик имеют достаточно близкие значения, их гистограммы накладываются, а степень изменчивости соответствует ширине гистограмм. В то же время, средние величины индексов большинства характеристик снижаются с ростом массы 1 м2 (Таблица), а для характеристик жесткости при растяжении максимум наблюдается для картона 140 г. Это свидетельствует об ухудшении условий формирования структуры с точки зрения способности к восприятию механической нагрузки при увеличении количества волокна на сетке КДМ.
Иной характер изменения индекса жесткости при изгибе, он увеличивается при увеличении массы, поскольку жесткость при изгибе зависит в 3 степени от толщины листа, и это не компенсируется делением на массу в 1 степени. Также жесткость при изгибе в сильной степени зависит от локальной неоднородности структуры.
Таким образом, причины повышенной вариации механических характеристик картона могут быть выявлены оптическим анализатором его макроструктуры (просвета): измеренный индекс формования имеет очень высокую величину (338.363), то есть показывает высокую неоднородность структуры.
Количественная оценка размеров, формы и ориентации флоккул в структуре картона, неоднородности макроструктуры, а также установление корреляционных зависимостей между структурными и физико - механическими характеристиками позволяют получить инструмент для прогнозирования свойств картона и управления его качеством с целью получения материала с заданными свойствами.
ж
Толщина, дам
а
□ 115
О 140 ■ WC]
h
J1 m,
i J
3J М J.9 4J
П, кПа/кг
б
53
5.7 ö,0
Н « М М
TShíD/CD
в
м J.1
з» JW
величины сопротивления продавливанию крафт-лайнера на основании не только измерения толщины и профиля ТСО, но и с учетом неоднородности структуры картона, оцениваемой на анализаторе формования. Причем все исходные данные могут быть получены неразрушающими методами.
Заключение
Для снижения вариации показателей прочности крафт - лайнера необходимо постоянно контролировать массу 1 м2, влажность и профиль ТСО, а также учитывать неоднородность макроструктуры картона, оцениваемой на анализаторе формования. При таком подходе все исходные данные о качестве продукции могут быть получены неразрушающими методами, а в перспективе возможен контроль качества продукции на основе on - line измерений.
Литература
1. В.И. Белоглазов, А.В. Гурьев, В.И .Комаров, Анизотропия деформативности и прочности тарного картона и методы ее оценки. АГТУ, Архангельск, 2005. 252 с.
2. G. Lindblad, T. Fürst, The ultrasonic measuring technology on paper and board. Lorentzen&Wettre, Elanders Tofters AB, 2001. 100 p.
3. Г. Линдблад, Ю.С. Юха, В сб. Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов. Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, Архангельск, 2011. С. 78-87.
4. Lab formation Sensor 2D FSensor [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.techpap.com/lab-formation-sensor,lab-device,6.html (дата обращения: 18.10.2014).
5. Е.В. Дьякова, А.В. Гурьев, Я.В. Казаков, М.Л. Демидов, Целлюлоза. Бумага. Картон, 2. 37-41 (2013).
6. ГОСТ 27015-86, Бумага и картон. Бумага и картон. Методы определения толщины, плотности и удельного объема. ИПК Издательство стандартов. - Москва, 2002.
7. ISO 9895:1989. Paper and board - Compressive strength -Short span test.
8. ГОСТ ISO 2493-96, Бумага и картон. Метод определения сопротивления изгибу. ИПК Изд-ва стандартов. -Москва, 2001, 8 с.
9. ГОСТ 13525.8-86, Полуфабрикаты волокнистые, бумага и картон. Метод определения сопротивления продав-ливанию. Стандартинформ. - Москва, 2007.
10. Е.В. Крякунова, Т.Н. Манахова, З.А. Канарская, О.С. Михайлова, Я.В. Казаков, Вестник Казан. технол. унив., 22, 225-228 (2013).
11. В.И. Комаров, Т.М. Владимирова, Жабин В.И., Заляж-ных В.В., Коптелов А.Е., С.И. Третьяков, Применение статистических методов контроля и управления качеством технологических процессов, услуг и продукции. Арх.гос.техн.ун-т., Архангельск, 2009. 179 с.
12. Т. Н. Манахова, Я. В. Казаков, О. С. Михайлова, Вестник Казан. технол. унив., 21, 38-42 (2013).
Индекс формования
г
Рис. 2 - Гистограммы распределения величин характеристик картона 115, 140 и 170 г/м2
Полученные результаты позволяют сделать предположение о возможности прогнозирования
© О. С. Беляев - аспирант каф. технологии целлюлозно-бумажного производства Северный (Арктический) федеральный университет, boset@atnet.ru; Я. В. Казаков - канд. тех. наук, доц., зав. каф. технологии целлюлозно-бумажного производства Северный (Арктический) федеральный университет, j.kazakov@narfu.ru; О. С. Михайлова - аспирант каф. ПИМП КНИТУ, olga.83@mail.ru.
© O. S. Belyaev - Ph.D. Student, Department Pulp and Paper Technology Arkhangelsk, Russia, Northern (Arctic) Federal University, boset@atnet.ru; Y. V. Kazakov - Ph.D. (Engineering) Head of Department Pulp and Paper Technology Arkhangelsk, Russia, Northern (Arctic) Federal University, j.kazakov@narfu.ru; O. S. Mihailova - postgraduate student of the department of food engineering at small enterprises at Kazan National Research Technological University, olga.83@mail.ru
