Влияние структуры целлюлозно-бумажных материалов на их деформационные и прочностные свойства 05. 21. 03 Технология и оборудования химической переработки биомассы дерева; химия древесины

1   2   3   4   5   6   7

5 Влияние технологических факторов на структуру бумажного листа лабораторного изготовления


Оценка влияния технологических факторов на структуру целлюлозно-бумажных материалов проведена на лабораторных бумажных отливках с различной композицией. Исследовали влияние массы (m, г/м²); степени помола (СП, ШР), содержания наполнителя (расход мела, %), проклейки в массе (катионный крахмал райсомил 142) и гидрофобизирующей проклейки (АКД Hydrores 350M, %), использование системы удержания Fennopol K4600R и Fennosil 40 (FP+FS, %). На рисунке 9 представлены графики, отражающие относительное изменение характеристик неоднородности просвета бумажных отливок при варьировании технологических факторов. За 100 % приняты максимальные значения оптических характеристик. Установлено, что составляющие композиции бумаги избирательно влияют на качество просвета лабораторных отливок, а, следовательно, на неоднородность структуры бумаги.

а	б
в	г
Рисунок 9 – Влияние технологических факторов на характеристики просвета образцов лабораторных отливок из смеси лиственной и хвойной целлюлозы

По результатам обработки экспериментальных данных установлены количественные зависимости между оптическими характеристиками структуры бумажных отливок и композицией бумаги. Полученные уравнения регрессии позволяют прогнозировать оптические свойства лабораторных образцов бумаги при заданной композиции.

В условиях на ОАО «МБП Сыктывкарский ЛПК» были проведены исследования влияния параметров подготовки бумажной массы на качество формования и свойства бумаги. Основным варьируемым фактором была удельная нагрузка на рафинёры лиственного и хвойного потока БДМ, вырабатывающей офсетную и офисную бумагу. На рисунке 10 представлено относительное изменение неоднородности просвета материала при продвижении по технологическому потоку. За 100 % приняты значения для поступающей на размол целлюлозы.

а	б
Рисунок 10 – Зависимость неравномерности просвета  от удельной нагрузки на рафинеры, кВтч/т, лиственного (а) и хвойного (б) потока при продвижении массы по технологическому потоку

Установлено, что увеличение удельной нагрузки на рафинерах как лиственного, так и хвойного потоков приводит к улучшению качества формования бумаги, а также обеспечивает закономерное повышение физико-механических характеристик офсетной и офисной бумаги. Определены коэффициенты пересчёта величин характеристик просвета от лабораторной отливки массы из напорного ящика к готовой бумаге.


6 Прогнозирование прочности и жесткости бумаги


Для прогнозирования характеристик прочности и деформативности бумаги по её композиции через характеристики просвета разработана программа для ЭВМ, в которой использованы коэффициенты уравнений регрессии между характеристиками просвета, оценивающими качество формования бумаги, и физико-механическими характеристиками бумаги машинного изготовления; а также уравнения регрессии, связывающие композицию бумаги с характеристиками просвета лабораторных отливок и коэффициенты пересчёта от лабораторных отливок к бумаге машинного изготовления

Используя полученную модель, проведен анализ влияния композиции материала на качество формования и физико-механические характеристики бумаги. При изменении величины одного из параметров композиции (степени помола, расхода мела) фиксировали остальные факторы на заданном уровне. Пример получаемых зависимостей представлен на рисунке 11.

а	б
Рисунок 11 – Расчетные зависимости влияния неравномерности распределения массы W (а) и неравномерности просвета  (б) на жесткость при растяжении бумаги при варьировании её композиции

Из полученных результатов следует, что каждая из составляющих композиции бумаги при исключении влияния других, оказывает избирательное влияние на ход кривых зависимости физико-механических характеристик от качества формования. При этом сохраняется общая тенденция – при увеличении неоднородности просвета ухудшаются прочностные и деформационные характеристики бумаги.


ОБЩИЕ ВЫВОДЫ


1. Разработан автоматизированный способ измерения геометрических характеристик волокон с вычислением статистических параметров, который позволил усовершенствовать методику количественной оценки структурно-ориентационного состояния волокон в листе бумаги. Методика принята для практического использования на ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика».

2. Установлен вид и определены величины параметров распределения длины, кривизны и угла ориентации отдельных волокон в листе бумаги, изготовленном из хвойных или лиственных полуфабрикатов, в плоскости листа и в z-направлении.

3. Предложено и экспериментально обосновано использование для описания траектории расположения волокон в плоскости листа кривых Безье 3-го порядка.

4. Подготовлена математическая база для разработки компьютерной модели бумажного листа с учетом вариации длины, степени кривизны и формы траектории волокон в плоскости листа и фракционного состава по толщине листа.

5. Установлено, что комплексная оценка качества формования структуры листа бумаги, полученная с использованием автоматического анализатора просвета «АНФОР 02-2», может быть дана по четырем характеристикам – неоднородность просвета , средний размер неоднородностей d_сред, светопропускание T, неравномерность распределения масс W.

6. Получены новые количественные данные о влияния вариации величин характеристик структуры на физико-механические свойства целлюлозно-бумажных материалов с различной массой 1 м².

7. Разработаны регрессионные модели, использующие характеристики макроструктуры, для прогнозирования физико-механических свойств писче-печатной бумаги и картона-лайнера с погрешностью 2-9 %.

8. Получены регрессионные модели, позволяющие прогнозировать влияние композиции бумаги на характеристики макроструктуры.

9. На основании полученных экспериментальных данных разработана математическая модель с использованием макроструктурных характеристик бумаги для прогнозирования деформационных и прочностных свойств бумаги по её композиции. Показана применимость разработанной модели для прогнозирования деформативности и прочности чистоцеллюлозной писче-печатной бумаги в производственных условиях.


Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:


1. Зеленова, С.В. Определение структурно-размерных характеристик целлюлозных волокон в бумажном листе [Текст] / С.В. Зеленова, Я.В. Казаков // Материалы докладов 15-й Коми республиканской молодёжной науч. конф.: сб. науч. тр. Коми НЦ УрО РАН – Сыктывкар, 2004.– Том 1. – С.74-76.

2. Зеленова, С.В. Сравнительная оценка однородности структуры различных видов бумаги и картона [Текст] / С.В. Зеленова, Я.В. Казаков, В.И. Комаров // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: сб. науч. тр. – Архангельск: Изд-во АГТУ, 2004. – Выпуск IX. – С. 86-93.

3. Зеленова, С.В. Корреляция деформационных и прочностных характеристик бумаги с показателями, оценивающими формование бумаги [Текст] / С.В. Зеленова, Я.В. Казаков, В.И. Комаров // Современная наука и образование в решении проблем экономики Европейского севера: материалы Междунар. науч.-техн. конф., посвященнойя 75-летию. АЛТИ - АГТУ. – Архангельск, 2004. – Том 1. – С.213-215.

4. Казаков, Я.В. Компьютерное моделирование структуры бумажного листа из волокон хвойной и лиственной древесной целлюлозы [Текст] / Я.В. Казаков, В.И. Комаров, С.В. Зеленова // Строение, свойства и качество древесины – 2004: труды IV Междунар. симпозиума. – С.-Пб.: 2004. – Том I. – С. 238-241.

5 Зеленова, С.В. Анализ формы целлюлозных волокон в структуре бумажного листа [Текст] / С.В. Зеленова, Я.В. Казаков, В.И. Комаров // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы II Всероссийской конф. – Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2005. – Книга I. – С. 40-48.

6. Казаков, Я.В. Количественная оценка влияния структурной неоднородности бумаги на деформационные и прочностные характеристики [Текст] / Я.В. Казаков, С.В. Зеленова, В.И. Комаров // Фундаментальные исследования в технических университетах: сб. Материалы IX Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. – С.-Пб.: Изд-во Политехнического университета, 2005. – С.307-308.

7. Зеленова, С.В. Оценка однородности по толщине картона-лайнера из вторичного волокна [Текст] / С.В. Зеленова, Я.В. Казаков, В.И. Комаров // Технология переработки макулатуры: материалы 6-й Междунар. науч.-техн. конф. – Караваево – Правда, 2005. – С. 54-56.

8. Казаков, Я.В. Влияние оптической неоднородности структуры на деформационные и прочностные характеристики писче-печатной бумаги [Текст] / Я.В. Казаков, С.В. Зеленова, В.И. Комаров // Лесной и химический комплексы – проблемы и решения: сб. статей по материалам Всероссийской науч.-техн. конф., посвященной 75-летию Сибирского ГТУ. – Красноярск: СибГТУ, 2005.– Том I. – С. 172-176.

9. Зеленова, С.В. Количественная оценка взаимосвязи деформационных характеристик бумаги для печати с характеристиками просвета [Текст] / С.В. Зеленова, Я.В. Казаков, В.И. Комаров // Наука – северному региону: сб. науч. тр.– Архангельск: Изд-во АГТУ, 2005. – Вып. 62. – С. 81-85.

10. Зеленова, С.В Деформационные свойства картона-лайнера при различных режимах приложения нагрузки [Текст] / С.В. Зеленова, Я.В. Казаков, В.И. Комаров // Химия и технология растительных веществ: тезисы докладов IV Всероссийской науч. конф. Институт химии Коми НЦ УрО РАН - Сыктывкар, 2006. – С. 369.

11. Казаков, Я.В. Автоматизация определения фракционного состава макулатурной массы [Текст] / Я.В. Казаков, Д.Г. Чухчин, И.С. Майоров, С.В. Зеленова, В.И. Комаров // Современные научные основы и инновационные технологии бумажно-картонных материалов с использованием вторичного волокна из макулатуры: материалы 7-я Междунар. науч.-техн. конф. – Караваево-Правда, 2006. – С. 55-56.

12. Казаков, Я.В. Автоматизированный метод определения структурно-ориентационного состояния целлюлозных волокон в бумажном листе [Текст] / Я.В. Казаков, С.В. Зеленова, В.И. Комаров, Д.Г. Чухчин, И.С. Майоров // Академическая наука и ее роль в развитии производительных сил в северных регионах России: материалы Всероссийской конф. – Архангельск, 2006. – Опт. диск (CD-ROM).

13. Зеленова, С.В. Сравнительная характеристика структурной неоднородности различных видов бумаги и картона [Текст] / С.В. Зеленова, Я.В. Казаков, В.И. Комаров // Фундаментальные исследования в техническом университете: материалы X Всероссийской конф. по проблемам науки и высшей школы. – С.Пб.: Изд-во Политехнического университета, 2006. – С.350-351.

14. Сысоева, Н.В. Влияние условий размола на свойства бумажной массы, качество формования и характеристики офсетной бумаги [Текст] / Н.В. Сысоева, А.В. Гурьев, Я.В. Казаков, С.В. Зеленова, В.И. Комаров, А.В, Анисимов // Теория и инновационные технологии бумажно-картонной продукции с использованием вторичного волокнистого сырья. VIII Междунар. науч.-техн. конф. – Караваево, 2007. – С.39-42.

15 Казаков, Я.В. Влияние неоднородности структуры на характеристики жесткости картонов-лайнеров [Текст] / Я.В. Казаков, С.В. Зеленова, В.И.Комаров // Изв. высш. учеб. заведений. Лесной журнал. – 2007. – № 3.- С.110-121.


ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ


σ_x – среднеквадратическое отклонение;

v – коэффициент вариации, %;

f – фактор формы;

 – угол ориентации волокна, ;

 - математическое ожидание;

 - параметр экспоненциального распределения;

l_ср – среднеарифметическая длина волокна, мм;

l_срв – средневзвешенная длина волокна, мм;

l_срм – среднемассовая длина волокна, мм;

Т – светопропускание, %;

 – неоднородность просвета;

1¹ Выражаем благодарность Д.Г. Чухчину и И.С. Майорову за участие в разработке программного обеспечения «Fiber Tester»