Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Влияние структуры целлюлозно-бумажных материалов на их деформационные и прочностные свойства

05.21.03 - Технология и оборудования химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Зеленова Светлана Владимировна

Архангельск

2007

Работа выполнена на кафедре технологии целлюлозно-бумажного производства Архангельского государственного технического университета

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Комаров Валерий Иванович

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Казаков Яков Владимирович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Смолин Александр Семенович

кандидат технических наук Филиппов Илья Борисович

Ведущая организация - Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия

Защита состоится 13 декабря 2007 года в 10 ⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.02 в Архангельском государственном техническом университете по адресу: 163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского государственного технического университета.

Автореферат разослан "___" ноября 2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат химических наук, доцент Т.Э. Скребец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Поведение бумаги и картона при переработке и применении зависит от их физико-механических свойств, которые обусловлены структурой целлюлозно-бумажных материалов, а последняя в свою очередь определяется сложным и многофакторным технологическим режимом изготовления. Получение бумаги высокого качества при высоких скоростях оборудования и минимальных затратах требует знаний о структурных свойствах бумаги и умения управлять ими.

Изучение пространственной структуры (микро- и макроструктуры) бумаги является весьма важным, поскольку определенный уровень деформационных и прочностных свойств бумаги является первым и необходимым условием ее применения по назначению. Получение количественных закономерностей, связывающих характеристики структуры бумаги с её физико-механическими и потребительскими свойствами является актуальной задачей, востребованной как исследователями, так и производственниками.

Для контроля макроструктуры бумаги оптимальным считается оптический метод. Современные приборы позволяют дать количественную оценку макроструктуры бумаги с помощью оптических характеристик, заменяя визуальный качественный анализ формования на просвет (то есть оценку «облачности»).

Количественная оценка размеров, формы и ориентации волокон в структуре бумаги, неоднородности макроструктуры, а также установление корреляционных зависимостей между оптическими и физико-механическими характеристиками позволяют получить инструмент для прогнозирования свойств бумаги и управления ее качеством с целью получения материала с заданными свойствами.

Цель и задачи исследования. Цель работы - разработать методику прогнозирования деформационных и прочностных свойств бумаги и картона по характеристикам макро- и микроструктуры, определяемым композицией бумаги. Для реализации данной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Усовершенствовать и адаптировать к условиям лабораторной базы отечественных предприятий методику количественной оценки структурно-ориентационного состояния волокон в листе бумаги.

2. Дать количественную характеристику ориентационного состояния волокна в стохастической сетчатой структуре бумажного листа с помощью вероятностной функции распределения для бумаги различной композиции.

3. Установить количественные зависимости между макроструктурными характеристиками бумаги и картона по результатам анализа на оптическом анализаторе просвета и деформационными и прочностными характеристиками материала.

4. Дать количественную оценку влияния технологических факторов на характеристики структуры бумажного листа лабораторного и машинного изготовления.

5. Разработать регрессионные модели для прогнозирования свойств бумаги и картона с использованием характеристик макроструктуры.

6. На основании полученных экспериментальных данных разработать математическую модель с использованием макроструктурных характеристик бумаги для прогнозирования характеристик прочности и деформативности бумаги с учетом её композиции.

Научная новизна. Расширены научные представления о возможности оценки характеристик микроструктуры бумажного листа по данным измерений геометрических характеристик отдельных волокон в плоскости листа и характеристик макроструктуры по данным, полученным с помощью оптического анализатора просвета. Установлены количественные зависимости между характеристиками оптической неоднородности структуры и деформационными и прочностными характеристиками бумаги и картона. Показана возможность прогнозирования деформационных и прочностных свойств бумаги различной композиции с использованием характеристик макроструктуры.

Практическая ценность. Усовершенствована и принята к использованию на ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика» методика количественной оценки геометрических характеристик волокон в листе бумаги. Разработана методическая база для контроля работы массоподготовительного отдела бумажной фабрики и бумагоделательной машины с целью максимального использования бумагообразующего потенциала бумажной массы. Подготовлена математическая база для количественного описания состояния волокон в структуре бумажного листа с применением вероятностно-статистических методов. Полученные данные о количественных характеристиках оптической неоднородности структуры позволили разработать регрессионные модели для прогнозирования свойств бумаги, что позволяет выбрать композицию.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на Всероссийских научно-технических конференциях в г. Сыктывкаре (2004, 2006 гг.), г. Барнауле (2005 г.), г. Красноярске (2005 г.), г. Архангельске (2006 г) и в г. Санкт-Петербурге (2005, 2006 гг.) и международных конференциях в г. Архангельске (2004 г.), г. Санкт-Петербурге (2004, 2005 гг.) и в Караваево (2005-2007 г.); а также на ежегодных научно-технических конференциях Архангельского государственного технического университета (2005, 2006 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает: введение, обзор литературы, методическую часть, экспериментальную часть, включающую 6 разделов, общие выводы, библиографический список и приложение. Содержание работы изложено на 152 страницах, включая 58 рисунков и 37 таблиц, библиографический список содержит 121 наименование.

Автором выносятся на защиту следующие основные положения диссертационной работы:

- методика определения структурно-ориентационного состояния волокон в листе бумаги;

- способ описания ориентационного состояния волокон в стохастической сетчатой структуре бумажного листа с использованием вероятностной функции распределения;

- экспериментальные данные о количественных значениях макроструктурных характеристик различных видов бумаги и картона по данным вариации толщины образца и с использованием оптического анализатора просвета;

- установленные количественные зависимости между макроструктурными характеристиками бумаги, определёнными с помощью оптического анализатора просвета, и характеристиками деформативности и прочности бумаги;

- способ прогнозирования характеристик прочности и деформативности бумаги по её композиции с использованием макроструктурных характеристик.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы и задачи, подлежащие решению, указаны положения, выносимые на защиту.

Обзор литературы. Дана краткая характеристика особенностей структуры целлюлозно-бумажных материалов. Рассмотрены подходы и методы, использующиеся для оценки микро- и макроструктуры бумаги. Представлены сведения о существовании взаимосвязи структуры бумаги с ее физико-механическими свойствами, и отмечено, что отсутствуют данные о количественных выражениях этой связи.

Показано, что качество структуры бумаги и ее физико-механические свойства оцениваются множеством структурных, физических, деформационных и прочностных характеристик, на которые технологические факторы влияют избирательно. Отмечено, что для прогнозирования деформационных и прочностных характеристик бумаги и картона требуется информация о характеристиках микро- и макроструктуры и применение статистических методов с привлечением множественного корреляционного и регрессионного анализа, что обусловливает необходимость данного исследования

Методическая часть. В работе использовались образцы хвойной (ХБ-1) и лиственной (ЛС-1) сульфатной беленой целлюлозы, образцы писчей и офисной бумаги, картона для плоских слоев гофрированного картона различных производителей, марок и масс 1 м².

Оценку структурно-ориентационного состояния волокон в образцах лабораторного изготовления проводили с помощью усовершенствованной методики, включающей оригинальное специально разработанное на кафедре технологии ЦБП Архангельского ГТУ программное обеспечение «Fiber Tester»¹ Выражаем благодарность Д.Г. Чухчину и И.С. Майорову за участие в разработке программного обеспечения «Fiber Tester». Качество формования оценивали с помощью оптического анализатора просвета «АНФОР 02-2». Для определения физико-механических свойств образцов бумаги и картона применяли как стандартные, так и оригинальные методы испытания, в том числе метод комплексной оценки механического поведения испытуемого материала при приложении растягивающей нагрузки; определение жесткости при изгибе в соответствии с ГОСТ ИСО 2493-96; метод испытания на трещиностойкость в соответствии со стандартом SCAN - P 77:95. Использованы методы статистической обработки, корреляционного и регрессионного анализа. Все математические расчеты выполнены на ЭВМ.

Экспериментальная часть состоит из 6 разделов.

1. Количественная оценка микроструктуры бумажного листа

1.1 Количественная оценка структурно-ориентационного состояния волокон в плоскости бумажного листа

Для решения данной задачи была проведена количественная оценка геометрии отдельных волокон в лабораторном листе бумаги различной композиции. Использованы характеристики: длина волокна l, мм, фактор формы f, отражающий степень искривлённости волокна, угол ориентации к определяющему направлению a, , и траектория его расположения в плоскости листа. технологический прочность картон бумага

Эксперимент проведен на лабораторных отливках из беленой хвойной и лиственной сульфатной целлюлозы со степенью помола 13, 18, 30 и 60 ШР, содержащие окрашенные волокна в количестве 0,5 % по массе волокна. Полученные на цветном сканере изображения отливок обрабатывали с помощью программы «Fiber Tester». Для каждого окрашенного волокна определены его длина, фактор формы, угол ориентации к определяющему направлению и отслежена траектория его расположения в плоскости листа. На рисунке 1 представлены примеры полученных изображений волокон с различной степенью искривленности.

а	б
Рисунок 1 - Форма некоторых целлюлозных волокон по результатам визуального анализа: а - лиственных; б - хвойных

Для полного описания структурно-ориентационного состояния была получена информация о виде и параметрах распределения характеристик волокон.

а	б
Рисунок 2 - Гистограммы распределения величины длины целлюлозных волокон с наложенными кривыми нормального и логнормального распределения: а - лиственные 30 ШР, б - хвойные 30 ШР

На рисунке 2 представлены частотные гистограммы распределения длины волокна образцов целлюлозы и наложенные на них кривые нормального и логнормального распределения лиственных и хвойных волокон со степенью помола 30 ШР.

Проверка статистической гипотезы о принадлежности выборки данных к тому или иному распределению по критерию ² (Пирсона) показала, что экспериментальные данные для длины волокна не противоречат гипотезе о принадлежности выборки к логнормальному распределению. Использование данного распределения и параметров, определенных для него (таблица 1), позволяют дать не только дать полную количественную оценку состояния волокон, но и возможность прогнозировать фракционный состав лиственной и хвойной целлюлозы.

Анализ кривизны волокон показал, что большинство волокон имеют фактор формы свыше 0,9, то есть их форма близка к прямолинейной. В связи со специфичным видом гистограммы распределения фактора формы f, при оценке параметров распределения вместо фактора формы использовали параметр кривизна волокна (Kr), который определяется как 1-f. Примеры гистограмм распределения, оценивающих кривизну волокон, представлены на рисунке 3.

а	б
Рисунок 3 - Гистограммы распределения величины кривизны целлюлозных волокон: а - лиственные 30 ШР, б - хвойные 30 ШР

Вид гистограмм и оценка критерия согласия ² позволяют утверждать, что распределение величины кривизны волокон подходит для описания с помощью экспоненциального распределения. Значения параметра экспоненциального распределения кривизны волокон определены для лабораторных отливок хвойной и лиственной целлюлозы со степенью помола от 13 до 60 ШР (таблица 1).

Таблица 1 - Параметры логнормального и экспоненциального распределения для длины и кривизны волокна соответственно

Параметры распределения	Длина волокна	Кривизна волокна
	2	m	sx	2	l
СП, ШР	Лиственная целлюлоза
13	2,60	0,25	0,20	1,62	13,34
18	2,50	0,04	0,22	2,70	22,05
30	2,12	0,04	0,25	0,57	17,91
60	3,84	-0,07	0,20	5,79	18,19
СП, ШР	Хвойная целлюлоза
13	0,71	0,86	0,42	2,44	5,69
18	1,82	0,67	0,43	0,90	13,58
30	3,95	0,64	0,49	2,39	14,84
60	6,80	0,40	0,42	1,37	14,65

Анализ данных показал, что размол целлюлозы приводит не только к закономерному уменьшению длины волокна, но и к увеличению значения фактора формы, то есть к меньшему искривлению волокон в структуре лабораторной отливки.

Поскольку анализировались неориентированные лабораторные отливки ввиду невозможности изготовления образцов с ориентированными волокнами, для количественной оценки распределения угла ориентации отдельных волокон воспользовались данными литературы. Принято, что угол ориентации отдельных волокон подчиняется нормальному распределению, а параметры распределения зависят от степени преимущественной ориентации волокон в машинном направлении (анизотропии) и направления вырезания образца из рулона бумаги.

Важное знание для количественного описания имеет не только общая кривизна, но и траектория расположения волокон. Зависимости для математического описания траектории волокон получены путем аппроксимации формы волокна линиями регрессии (рисунок 4). Обнаружено, что можно ограничиться полиномом третьей степени, поскольку для большинства волокон коэффициент R², характеризующий достоверность аппроксимации, составляет более 0,9.

а	б
Рисунок 4 - Линии регрессии для траектории расположения некоторых целлюлозных волокон: а - лиственных; б - хвойных

Для части волокон аппроксимация полиномом даёт неудовлетворительный результат из-за не функциональности зависимости. Поэтому для моделирования формы волокон более перспективным считаем использование параметрически задаваемых кривых Безье третьего порядка.

1.2 Оценка изменения структурно-ориентационного состояния волокон в бумажном листе в z-направлении

Условия формования листа на одной сетке не позволяют получить материал, изотропный в направлении перпендикулярном плоскости листа бумаги (в z-направлении). Для количественной оценки анизотропии использовали лабораторные отливки из хвойной сульфатной беленой целлюлозы со степенью помола 30?ШР и массой 150 г/м², содержащие окрашенные волокна, разделяли по слоям с помощью скотча. Изображения каждого слоя волокон обрабатывали с помощью программы «Fiber Tester».

Статистическая обработка результатов анализа по каждому из 50 слоёв подтвердила существование различий во фракционном составе волокон, коэффициент вариации для средней длины волокна составляет около 15 %. В меньшей степени варьируется величина фактора формы, что связано с большим количеством коротких волокон, кривизна которых минимальна.

а	б
Рисунок 5 - Изменение величин характеристик волокна по толщине листа: а - экспериментальные данные для средней длины волокна, б - общий вид зависимостей

Данные подтверждают существование различий во фракционном составе волокон. Несмотря на некоторую вариацию измеренных величин характеристик волокна, отмечено их существенное изменение примерно до 1/3 от общей толщины листа, рисунок 5, а. Каждую зависимость аппроксимировали логарифмической линией тренда. Использование полученных зависимостей длины и формы волокон, рисунок 5, б, позволяет прогнозировать размеры и форму волокон в зависимости от расстояния от сеточной стороны листа.

2. Количественная оценка макроструктуры бумаги и картона

2.1 Характеристика макроструктуры по результатам измерений толщины бумаги и картона

В работе выполнен анализ вариации толщины образцов офисной бумаги и картона для плоских слоев гофрированного картона различных производителей. Результаты статистической обработки измерений представлены в таблице 2. Установлено, что исследованные виды офисной бумаги обладают близкими по величине характеристиками неоднородности, при этом ни одна из бумаг не обеспечивает наилучшие значения всех характеристик. У образцов картона лучшие показатели неоднородности у картона ОАО «МБП Сыктывкарский ЛПК» (v=1,5 %; _x =5,85 мкм), а самые высокие - у картона «тест-лайнер» ОАО «Караваево» (v=5,5 %; _x =20,27 мкм).

Таблица 2 - Статистическая обработка результатов измерений толщины листа, мкм

Производитель	Масса 1м2, г	Хср	Хmin	Хmax	x	v, %
Бумага офисная
ОАО «Архангельский ЦБК»	80	100,5	94	109	1,99	1,9
ОАО «Светогорск»	80	98,3	92	104	1,98	2,0
«Stora Enso»	80	100,2	94	107	1,94	1,9
Картон для плоских слоев гофрированного картона
ОАО «Архангельский ЦБК»	186	280,6	248	323	11,45	4,1
ОАО «Караваево»	200	371,4	321	450	20,27	5,5
ОАО «МБП СЛПК»	300	390,2	370	408	5,85	1,5

Рисунок 6 - Пример диаграммы неоднородности толщины бумаги

Проведенный эксперимент позволяет представить визуальную модель неоднородности листа бумаги и картона по толщине (рисунок 6). Более тёмные области на диаграммах соответствуют большей толщине листа в данной точке.

Чётко выделяются области повышенной толщины, которые носят преимущественно точечный характер и связаны или с крупными хлопьями, или с частицами сора. Области с пониженной толщиной не являются точечными, а «заливают» пространство между областями повышенной толщины.

Предложенная методика количественной оценки неоднородности структуры листа целлюлозно-бумажного материала по результатам измерения толщины позволяет дать статистически обоснованную количественную характеристику структурной неоднородности материала и обеспечить документирование визуальной оценки качества формования целлюлозно-бумажных материалов.

2.2 Количественная оценка макроструктуры бумаги и картона оптическим способом

Для количественной характеристики просвета бумаги и, следовательно, неоднородности макроструктуры и качества формования, использованы характеристики, определяемые на автоматическом анализаторе просвета «АНФОР 02-2», которые подразделяются на 3 группы: показатели неравномерности распределения массы в образце (избыток массы в образце М_изб; недостаток массы в образце М_нед; неравномерность распределения масс W; отношение распределения масс Q); показатели оптической неоднородности бумаги (неоднородность просвета ; контрастность К; светопропускание Т, %); геометрические показатели неоднородности (индекс формования Н; средние размеры неоднородностей в продольном l_прод, мм, и поперечном l_попер, мм, направлениях; анизотропия А; средний размер неоднородностей d_сред, мм).

Для получения информации о диапазоне возможных значений и степени варьирования этих характеристик, были проведены анализы ряда образцов бумаги и картона.

Установлено, что для одного вида бумаги в зависимости от технологии изготовления, например, значения неоднородности просвета s варьируются в диапазоне от 4,3 до 5,0, среднего размера неоднородностей d_сред от 3,9 до 4,5 мм, светопропускания T от 32 до 36 % для бумаги массой 80 г/м² и в пределах 75 % для бумаги массой 1 м² 45 г.

Разброс характеристик для картона существенно выше, поскольку для этих видов материала применяются различные технологии, оборудования, а также большое влияние оказывает композиция картона.

Например, значения неоднородности просвета, , варьируются от 12 до 20, а средний размер неоднородностей, d_сред, от 6 до 36 мм. Диаграмма, отражающая сравнительную характеристику показателей просвета бумаги и картона, представлена на рисунке 7.

а	б
Рисунок 7 - Показатели качества просвета: а - бумаги офисной, б - картона тарного

Эксперимент показал, что использование данного метода позволяет четко определять различия качества формования не только картона, но и одинаковых видов бумаги. Визуальная качественная оценка неоднородности структуры (облачность) подтверждается количественными характеристиками просвета.

Количественная оценка воспроизводимости показателей качества просвета бумаги и картона и повторяемости метода показала, что при анализе на приборе «АНФОР 02-2» не требуется большого числа параллельных определений, достаточно ограничиться тремя листами бумаги.

Для проведения эксперимента по оценке изменчивости показателей просвета бумаги были использованы образцы, отобранные на производстве бумаги ОАО «Архангельский ЦБК» с интервалом 1 неделя. Всего было сделано 10 отборов. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Статистическая характеристика показателей качества просвета бумаги

Характе- ристика	С наката	После суперкаландра
	Xср	Xmin	Xmax	х	v, %	Xср	Xmin	Xmax	х	н, %
Мизб	0,37	0,25	0,62	0,103	28,3	0,34	0,22	0,49	0,085	24,8
Мнед	0,36	0,24	0,61	0,104	28,7	0,40	0,27	0,69	0,125	31,1
W	0,73	0,54	1,23	0,200	27,5	0,75	0,51	1,18	0,199	26,6
Q	1,05	0,87	1,46	0,187	17,8	0,92	0,75	1,36	0,184	20,1
у	4,6	4,0	5,5	0,45	9,9	4,5	3,9	5,0	0,47	10,3
K	0,027	0,021	0,034	0,004	15,3	0,027	0,019	0,32	0,004	13,7
T, %	41	35	48	4,17	10,1	42	35	47	4,09	9,8
H	70,6	60,2	86,3	7,37	10,4	69,9	63,9	79,2	6,07	8,7
lпрод, мм	8,7	8,0	9,5	0,52	6,0	8,7	8,0	9,7	0,51	5,8
lпопер, мм	8,7	8,0	9,5	0,45	5,2	8,7	7,9	9,6	0,58	6,6
А	1,00	0,91	1,08	0,065	6,5	1,00	0,89	1,11	0,080	8,0
dсред, мм	3,9	3,7	4,2	0,13	3,4	3,9	3,8	4,2	0,17	4,3

Установлено, что нестабильность качества просвета бумаги во времени, вызванная колебаниями технологических параметров производства бумаги, существенно выше, чем нестабильность, обусловленная свойствами материала, что подтверждается более высокими значениями коэффициента вариации v, %.

По своим статистическим характеристикам показатели неравномерности распределения массы М_изб; М_нед; W; Q имеют самую высокую нестабильность.

У показателей оптической неоднородности у; K; Т; Н нестабильность примерно в два раза меньше, а показатели геометрических размеров неоднородностей l_прод; l_попер, А; d_сред наиболее стабильны.

Изменение параметров качества сырья и технологического процесса, имеющие место в реальных условиях производства, приводит к изменению величин характеристик просвета бумаги.

Можно предположить, что величина показателей геометрических размеров неоднородностей определяется работой оборудования сеточного стола БДМ (эти показатели наиболее стабильны), а показатели неравномерности распределения массы проявляют нестабильность из-за колебаний параметров технологического процесса, например, колебаний степени помола или расхода химикатов системы удержания.

Также выполнена оценка оптическим способом качества формования шести видов картона-лайнера с массой 1 м² 125, 140 и 150 г. Выборка, в зависимости от вида картона, составляла от 27 до 156 образцов.

Исследованы образцы: топ-лайнер с беленым покровным слоем (KTL), универсальный (KU), крафт-лайнер марки K0 (К0), крафт-лайнер марки КВС (KVS). Средние значения величин оптических характеристик неоднородности исследованных картонов представлены на рисунке 8.

Наилучшие показатели просвета у картона с беленым покровным слоем KTL. Картон универсальный, по сравнению с картоном топ-лайнер той же массы 1 м², имеет более низкие показатели качества формования (это наиболее дешевый материал).

Отмечено, что производители картона KVS, повышая механические характеристики картона, одновременно добиваются и улучшения качества формования по сравнению с картоном K0.

Для всех видов картона отмечен факт увеличения неоднородности просвета при повышении массы 1 м², что связано с ухудшением условий формования на сетке КДМ.

Однако, изменение характеристик качества просвета при изменении массы 1 м² меньше, чем при переходе к другому виду картона.

а	б
в	г
Рисунок 8 - Средние значения оптических характеристик картонов-лайнеров: а - неравномерность распределения масс; б - неоднородность просвета; в - светопропускание; г - средний размер неоднородностей

По степени влияния на характеристики просвета факторы можно расположить в ряд: вид картона (композиция по волокну), марка картона, масса 1 м². При этом внутри каждого вида картона имеет место определенный разброс характеристик, оценивающих качество формования.

3. Корреляция деформационных и прочностных характеристик с показателями, оценивающими качество формования бумаги и картона

Корреляционный анализ позволяет количественно оценить связь качества формования и физико-механических характеристик материала. Для проведения корреляционного анализа у образцов бумаги производства ОАО «Архангельский ЦБК», для которых определены характеристики просвета, были определены физико-механические характеристики.

Парный корреляционный анализ показателей просвета с механическими характеристиками показал, что на любые физико-механические свойства бумаги оказывает влияние одновременно несколько оптических характеристик.

Таблица 4 - Коэффициенты множественной корреляции для каландрированной бумаги

Y/r	r, г/см3	L, м	R, мН	N, чдп	EI, мНсм2	Е1, МПа	St, кН/м	Ap, мДж	еp, %	уp, МПа	JlC, мДж/м2	m, г/м2
ry,12	0,344	0,391	0,373	0,468	0,305	0,300	0,565	0,431	0,512	0,380	0,553	0,550
ry,13	0,596	0,766	0,680	0,402	0,934	0,782	0,735	0,562	0,579	0,739	0,536	0,877
ry,14	0,505	0,420	0,463	0,512	0,677	0,607	0,676	0,233	0,293	0,429	0,651	0,720
ry,23	0,583	0,751	0,667	0,311	0,929	0,778	0,753	0,531	0,527	0,725	0,560	0,895
ry,24	0,495	0,401	0,470	0,376	0,674	0,610	0,708	0,162	0,155	0,411	0,649	0,769
ry,34	0,553	0,707	0,663	0,471	0,920	0,783	0,603	0,538	0,531	0,677	0,229	0,836
ry,123	0,597	0,770	0,696	0,480	0,936	0,783	0,753	0,606	0,643	0,742	0,560	0,901
ry,124	0,511	0,473	0,521	0,664	0,679	0,617	0,708	0,431	0,521	0,472	0,659	0,777
ry,234	0,597	0,761	0,669	0,652	0,931	0,791	0,769	0,588	0,620	0,731	0,671	0,910
ry,134	0,605	0,783	0,680	0,763	0,937	0,792	0,754	0,641	0,702	0,750	0,666	0,892
ry,1234	0,605	0,789	0,696	0,827	0,940	0,793	0,769	0,689	0,769	0,755	0,678	0,913

Поэтому был проведён множественный корреляционный анализ (таблица 4) для которого из всего списка характеристик неоднородности структуры бумаги были выбраны четыре: от первой группы - неравномерность распределения масс W - x₁; от второй группы, характеризующей параметры распределения яркости образца относительно среднего значения - неоднородность просвета - x₂; для учета влияния массы 1 м² - светопропускание T - x_3; от третьей группы, характеризующей геометрические параметры неоднородностей - средний размер неоднородностей d_сред - x₄. Жирным шрифтом выделены значимые коэффициенты корреляции.

Большая величина множественных коэффициентов корреляции (r=0,620-0,940), свидетельствует, о высокой прогнозирующей способности оптических свойств, если рассматривать эти свойства в совокупности, что создает предпосылки к проведению регрессионного анализа.

В отличие от данных, полученных для писче-печатной бумаги, парный корреляционный анализ характеристик каждого вида картона показал низкую тесноту связи.

Следовательно, изменения величин жесткости картона при изменении структурных характеристик картона данной марки меньше, чем при изменении композиции или массы 1 м².

Коэффициенты множественной корреляции имеют несколько более высокие значения (таблица 5), однако они существенно ниже, чем в случае писче-печатной бумаги.

Таблица 5 - Коэффициенты множественной корреляции характеристик картона

Вид картона	y	ry,12	ry,13	ry,14	ry,23	ry,24	ry,34	ry,123	ry,124	ry,234	ry,134	ry,1234
125KTL	Sb, Нм	0,262	0,176	0,153	0,251	0,273	0,149	0,262	0,274	0,273	0,177	0,274
	St, кН/м	0,179	0,373	0,095	0,381	0,070	0,368	0,381	0,109	0,401	0,385	0,402
	RCT, Н	0,140	0,418	0,132	0,436	0,107	0,398	0,437	0,141	0,437	0,418	0,439
140KU	Sb, Нм	0,190	0,197	0,147	0,230	0,174	0,196	0,249	0,196	0,232	0,220	0,258
	St, кН/м	0,222	0,157	0,149	0,214	0,213	0,118	0,227	0,224	0,222	0,158	0,230
	RCT, Н	0,297	0,063	0,041	0,132	0,162	0,063	0,305	0,297	0,165	0,079	0,305
150K0	Sb, Нм	0,431	0,355	0,361	0,451	0,458	0,166	0,453	0,458	0,481	0,390	0,481
	St, кН/м	0,324	0,304	0,295	0,333	0,325	0,133	0,336	0,332	0,339	0,310	0,345
	RCT, Н	0,226	0,231	0,200	0,254	0,225	0,132	0,256	0,228	0,254	0,232	0,257

4. Уравнения связи структурных и физико-механических характеристик бумаги и картона

Для проведения регрессионного анализа использовали линейные уравнения для тех же входных параметров, что и во множественном корреляционном анализе: x₁ - W, x₂ - у, x₃ - T, x₄ - d_сред.

Для образцов писче-печатной бумаги производства ОАО «Архангельский ЦБК» для большинства характеристик деформативности и прочности получены уравнения регрессии с хорошими статистическими характеристиками и, следовательно, с высокой прогнозирующей способностью (таблица 6). Низкая величина погрешности полученных уравнений регрессии позволяет использовать их для прогнозирования физико-механических свойств бумаги. Наиболее надежные уравнения регрессии получены для характеристик: жесткость при растяжении S_t (r=0,980; d=1,35 %) и разрывная длина L (r=0,941; d=3,99 %).

Таблица 6 - Коэффициенты уравнений регрессии и оценки точности аппроксимации для каландрированной бумаги. Вид уравнения y=b₀+b₁x₁+b₂x₂+b₃x₃+b₄x₄x₄

y	b0	b1	b2	b3	b4	r	?
r, г/см3	0,885	-0,0477	-0,0241	0,00329	-0,0216	0,860	1,79
L, м	10951	1972	-1619	218	-1800	0,941	3,99
R, мН	1070	22	-24	-10	-22	0,698	7,91
EI, мНсм2	96	-31	1,42	-3,4	24	0,979	5,98
E1, МПа	3211	-1653	-206	92	152	0,963	2,48
St, кН/м	958	-23	-50	-6,6	-6,6	0,980	1,35
Ap, мДЖ	101	-3,4	-22	1,97	-2,6	0,863	9,08
еp, %	2,3	-0,0179	-0,177	0,0154	-0,1003	0,788	3,90
уp, МПа	93	16	-16	2,05	-16	0,947	4,80
JlC, мДж/м2	1581	73	-175	-5,3	-23	0,838	7,63

Полученные линейные уравнения для прогнозирования жесткости картона по его оптическим характеристикам имеют менее хорошие статистические характеристики, однако невысокая величина погрешности аппроксимации (от 2 до 9 %) позволяет говорить о прогнозирующей способности оптических характеристик для оценки жесткости картона-лайнера при растяжении, сжатии и изгибе.

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.

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.

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

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.

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.

а	б
Рисунок 10 - Зависимость неравномерности просвета от удельной нагрузки на рафинеры, кВтч/т, лиственного (а) и хвойного (б) потока при продвижении массы по технологическому потоку

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 s, 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.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

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

у_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, %;

s - неоднородность просвета;

К - контрастность;

H - индекс формования;

W - неравномерность распределения масс;

l_прод - средний размер неоднородностей в продольном направлении, мм;

l_попер - средний размер неоднородностей в поперечном направлении, мм;

A - анизотропия;

М_изб - избыток массы в образце;

М_нед - недостаток массы в образце;

Q - отношение распределения масс;

d_сред - средний размер неоднородностей, мм;

L - разрывная длина, м;

R - сопротивление раздиранию, мН;

RCT - разрушающее усилие при сжатии кольца, Н;

S_t - жесткость при растяжении, кН/м;

- плотность, г/см³;

e_р - деформация разрушения, %;

Е₁ - начальный модуль упругости, МПа;

EI - жесткость при изгибе, определенная на приборе ЖБИ-1, мНсм²;

S_b - жесткости при изгибе, определенная на приборе «Messmer Buchel Stiffness Tester 1156-BD», Нм;

s_Р - разрушающее напряжение, МПа;

J_IC - вязкость разрушения (трещиностойкость), мДж/м²;

А_р - работа разрушения, мДж.

Размещено на Allbest.ru