Цифровые технологии в оценке качества формования бумаги и картона по микроструктуре поперечного среза

Кондратьев рекомендует! Продолжаем цикл публикаций с VI Международной научно-технической конференции Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов (г. Архангельск)

За последние годы мир изменился. Пандемия внесла коррективы. Наблюдается тенденция цифровизации исследований. На мой взгляд, это направление правильное и для нашей отрасли, особенно для образовательной и научной деятельности, связанной с ЦБП.

Во время действия ограничений меня, как и многих учёных отрасли, держали дома и не пускали в лабораторию в свой университет, университеты зарубежных коллег. Но в это время нашему коллективу удалось усилить часть работы, связанную с цифровизацией научных исследований. Хотел бы поделится некоторыми результатами на примере оценки равномерности формования.

Мы взглянули на равномерность формования бумаги и картона по-другому. Главным отличием от существующих способов является то, что равномерность формования оценивается по микроструктуре поперечного среза. Не критикую существующие методы, которые быстро и сравнительно просто могут оценить индекс формования. Предлагаемый метод на сегодняшний день можно рассматривать как дополнение или альтернативу в некоторых случаях.

Исследование микроструктуры бумаги и картона берёт начало ещё с конца XVII века. Первый снимок микроструктуры дерева бука опубликовал Роберт Гук в Лондонском королевском обществе в 1665 г.

В последующем микроскопия развивалась не так активно, как сейчас. Прорыв в исследовании микроструктуры бумаги и картона связан с развитием сканирующей электронной микроскопии (CЭМ). Возросло разрешение до 3-10 нм, в 300 раз увеличилась глубина резкости. Электронная микроскопия подтвердила гипотезу о физико-химической природе образования связей между волокнами.

Вместе с микроскопией успешно применяются цифровые технологии при анализе и обработке данных исследований микроструктуры волокон бумаги и картона. Появляются такие приборы, как Fiber Tester, Morfi Compact. Разрабатываются стандарты на исследование бумаги и картона.

Одним из направлений развития исследований в области микроструктуры бумаги было получение качественного поперечного среза, так как ввиду особенности строения волокон его сложно выполнить. В процессе подготовки волокна деформируются. Можно посмотреть разницу между качеством среза, который получается ножевым инструментом и ионной резкой (слайды 5, 7).

Мы использовали технологию ионной резки для получения качественного среза. Для того, чтобы применить её для подготовки образцов бумаги, были подобраны показатели: время резки, энергия ионного пучка, толщина материала (слайд 5). После ряда неудачных и продолжительных попыток нам удалось установить показатели, которые позволяют получить поперечный срез с высоким качеством (слайды 7-10).

Графическая и аналитическая обработка микроструктуры поперечного среза дала очень интересные результаты. Метод, который был нами разработан, защищает более 12 показателей (слайд 11).

Мы опробовали метод на различных по своей микроструктуре образцах, полученных из одного и того же материала. В данном случае рассмотрено три варианта двухслойного картона (слайд 12):

А — покровный слой картона получен методом аэродинамического формования;

В — покровный слой получен из волокон, подготовленных сухим способом и добавленных в массу;

С — покровный слой получен из волокон, подготовленных сухим способом, с последующим размолом в водной среде.

Согласно патенту оцениваются протяжённости линий, по которым контактируют волокна и их равномерность распределения (слайды 13, 14).

По ним оцениваются механические характеристики. Определяется равномерность распределения срезов волокон, пористость картона (слайды 15-18).

Также определяется равномерность формования слоя по профилям поперечного среза, для чего он разделяется на равные участки по 5 мкм и устанавливается толщина каждого слоя в поперечном сечении. Можно построить гистограммы распределения, по которым затем оценить равномерность формования (слайды 19, 20).

По профилям также можно определить шероховатость в соответствии с методом, представленным в ГОСТ 25142-82 (слайд 21).

Интересные результаты получаются по оценке распределения мела, когда электронный микроскоп снабжён блоком отражённых электронов (слайд 22). По данным зарубежных компаний — производителей микроскопов, сегодня есть модули, которые могут картировать поперечный срез не только по химическим элементам, но и по лигнину, целлюлозе.

Одной из последний наших работ является оценка равномерности формования бумаги и картона, которая характеризуется индексом формования и рассматривает образцы на макроуровне.

Интересные работы в этой области были выполнены в Северном (Арктическом) федеральном университете имени М.В. Ломоносова (г. Архангельск). Образец находится между источником света и детектором. Затем по интенсивности света выстраивается функция распределения, по которой оценивается индекс формования (слайд 23).

В результате графической обработки поперечного сечения была выделена область волокнистого материала, срезанная по вертикальной плоскости. Для оценки равномерности формования необходимо рассматривать области сгустков волокон (флокул) по аналогии с существующими методами.

Для того чтобы количественно сравнить эти методы, необходимо установить взаимосвязь между предлагаемым и существующим способами. С этой целью рассмотрим один из результатов оценки индекса формования, представленный на слайде 23. Можно видеть, что картон-лайнер имеет явно выраженную неравномерность на просвет, присутствуют области, где концентрация волокон выше (флокулы) или ниже.

Чем больше волокнистого материала по толщине поперечного среза картона, тем меньше будет интенсивность проходимого света в этом сечении. То есть, интенсивность проходимого света — это величина, обратно пропорциональная толщине срезанных волокон в поперечном сечении. Использовав изображения поперечного среза, представленные на слайде 24, были выделены области сгустков волокон в каждом слое в отдельности (слайды 25-27).

Для покровного слоя Imax по предлагаемому методу равно 47 мкм, для нижнего — 42 мкм, для двухслойного картона — 68 мкм. Минимальное значение во всех трёх случаях равно нулю. Помимо представленных выше результатов расчётов были построены диаграммы распределения размеров флокул в вертикальной плоскости, которые находятся в обратной зависимости с яркостью тонов, проходящего через волокнистый материал света.

На слайде 28 представлены графики распределения размеров флокул по вертикали, которые характеризуют равномерность распределения флокул в поперечном сечении двухслойного картона.

Диаграммы распределения размеров флокул в вертикальной плоскости, представленные на слайдах 28, 29, позволяют оценить равномерность формования каждого слоя и двухслойного картона в целом.

По аналогии с определением индекса формования можно установить отношение между периодичностью повторения размера и разницей между максимальным и минимальным размером флокулы. Однако важным и принципиальным отличием является то, что индексы на просвет обратно пропорциональны тем показателям, которые получены по представленным на слайде 29 диаграммам.

Таким образом, разработан показатель оценки качества формования картона дополнительно к существующему индексу формования, который, в отличие от существующего, позволяет оценить равномерность распределения флокул как в каждом слое в отдельности, так и в картоне в целом. Данный показатель может использоваться как самостоятельно, так и совместно с индексом формования.

gofro.expert


Приглашаем Вас подписаться на наши страницы в социальных сетях:



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: