Будущее измерения волокна
Чтобы оставаться конкурентоспособными и прибыльными, предприятия должны использовать свои цепочки поставок для оптимизации продуктов, процессов, организационных структур и бизнес-моделей. Для многих производителей бумаги эти важные темы можно раскрыть, если внимательнее присмотреться к самым мелким компонентам — волокнам, из которых состоят их продукты.
Однако, учитывая в целом низкую маржинальность и ограниченные капитальные бюджеты, приоритет расходов на бумажных фабриках обычно отдается необходимому техническому обслуживанию, а затем проектам, которые устраняют «узкие места» для повышения производительности и обеспечения хорошей окупаемости. Чтобы инновационные проекты привлекали инвестиции, необходимо находить возможности, которые предлагают низкий риск и высокую потенциальную отдачу.
Целлюлозно-бумажной отрасли давно пора выйти за рамки традиционного мышления, осознав огромный потенциал, который могут дать небольшие, но значимые проекты по оптимизации. Одним из таких примеров является внедрение передовых методов измерения волокна, которые в сочетании с методами искусственного интеллекта (ИИ) могут обеспечить гораздо более эффективный контроль качества конечного продукта, создавая высокую ценность при минимальном риске, если он вообще есть. Часто именно «низковисящие фрукты» — повседневные инструменты, такие как измерение волокна, которые мы воспринимаем как должное, — могут принести наибольшую отдачу. Чем раньше отрасль начнет осознавать потенциальную ценность, которую можно извлечь из своих процессов с помощью легкодоступных инструментов, тем лучше!
Использование новых достижений в области измерения волокна может принести пользу производству — от разработки новых продуктов до улучшения качества продукции — и помочь в стремлении к повышению эффективности и более высокой прибыльности.
ПОЯВЛЕНИЕ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ МИКРОЦЕЛЛЮЛОЗЫ И НАНОЦЕЛЛЮЛОЗЫ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ
Недавней тенденцией в производстве целлюлозы является разработка и использование микроцеллюлозных и наноцеллюлозных форматов для создания новых, улучшенных и более экологичных бумажных изделий. К ним относятся: микрофибриллированная целлюлоза (MFC), производимая такими компаниями, как Borregaard, Norske Skog и FiberLean; целлюлозное нановолокно (CNF), производимое Nippon Paper и другими; а также целлюлозные фибриллы (CF), производимые Kruger.
Все эти продукты на основе нановолокон очень малы, обладают высокой удельной площадью поверхности и часто используются в качестве укрепляющих агентов, поскольку они увеличивают количество водородных связей в листе, повышая его прочность на разрыв. Поскольку нановолокна имеют целлюлозную основу, их можно использовать для замены других связующих агентов, таких как полимеры, полученные из нефтепродуктов, и, таким образом, они предлагают более устойчивую альтернативу.
Однако одна из проблем с нановолокнами заключается в том, что обычные анализаторы волокна не предназначены для обнаружения и характеристики таких мелких волокон, хотя аналитический метод, способный обнаруживать и характеризовать мелкие частицы в суспензии целлюлозы, был разработан и запатентован еще в 1980-х годах. С 2016 года коммерческий лабораторный прибор, использующий эту концепцию, доступен в качестве дополнительного модуля для ABB L&W Fiber Tester — L&W Crill.
Частицы крилля (crill) обычно в 100 раз меньше волокна целлюлозы, но являются важными индикаторами свойств связи волокон и прочности. В отличие от обнаружения обычных целлюлозных волокон, которое основано на анализе изображений в видимом свете, этот метод сравнивает интенсивность двух длин волн света, проходящих через суспензию целлюлозы: ультрафиолетового света (365 нм) и инфракрасного света (850 нм). Содержание крилля представляется как квота крилля, или отношение потерь при пропускании УФ/ИК излучения.
Метод измерения крилля был первоначально разработан для контроля процесса размола, при котором частицы крилля отделяются от стенки волокна. Была обнаружена линейная зависимость между квотой крилля и энергией размола, как при высококонцентрированном размоле механической массы, так и при низкоконцентрированном размоле химической целлюлозы. Поскольку в будущем будет строиться все больше предприятий по производству продуктов из наноцеллюлозы, измерение крилля станет бесценным инструментом для контроля качества и управления энергией размола, учитывая, что производство этих продуктов может быть энергоемким.
Производителям целлюлозы и бумаги, стремящимся к более устойчивому производству, было бы полезно оценить, являются ли их методы измерения морфологии волокна достаточно продвинутыми и подходящими для обнаружения и характеристики наноцеллюлозных волокон.
Взаимосвязь между квотой крилля и энергией размола
СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНУЮ КНИГУ
Если вам интересно узнать больше о методах анализа волокна, получите более подробную информацию в нашем руководстве ABB Fiber Guide!
Онлайн-тестирование для лучшего контроля качества
Производители бумаги, картона и санитарно-гигиенической продукции используют целлюлозу из различных источников, включая длинноволокнистую хвойную целлюлозу для прочности, коротковолокнистую целлюлозу, такую как эвкалиптовая, для обеспечения непрозрачности, объема и мягкости, а также вторичные волокна из различных пород древесины и географических регионов. Те, кто контролирует свои собственные лесозаготовительные операции и имеет интегрированные целлюлозные производства, могут полагаться на довольно стабильное сырье, но им необходимо измерять влияние параметров варки на качество волокна. В случае неинтегрированных производств понимание характеристик поступающих волокон и возможность корректировки рецептуры являются обязательными для соблюдения спецификаций продукции заказчика.
На протяжении многих десятилетий производители полагались на лабораторные тесты, такие как степень помола, содержание костры, классификация по размеру и различные испытания на прочность, проводимые на отливках, чтобы получить информацию о свойствах используемых волокон. Хотя эти данные информативны, они недостаточно оперативны для внесения корректировок в процесс и недостаточно часты для характеристики изменчивости свойств волокна.
Теперь, благодаря развитию онлайн-тестирования, автоматизированного оборудования для отбора проб и лабораторных испытаний — в сочетании с архиваторами данных, сложными системами управления и новыми методами ИИ — операторы фабрик могут получать гораздо более подробную и своевременную информацию о качестве волокна. Эти мощные онлайн-инструменты позволяют улучшить качество и снизить вариативность, одновременно сокращая производственные затраты.
Большие данные и искусственный интеллект
Большинство фабрик сейчас имеют архиваторы данных, которые могут хранить тысячи измерений со всего предприятия с интервалами от секунд до часов в течение нескольких лет, и эти данные можно использовать для создания мощных прогнозных моделей.
Современные анализаторы морфологии волокна могут напрямую анализировать тысячи суспензий волокон, сообщая об отклонениях таких свойств, как длина, ширина, толщина стенки, коэффициент формы, индекс извитости, содержание мелочи, содержание костры и грубость. Хотя такие измерения помогают лучше понять характеристики целлюлозной массы и стоят недорого, их реальная ценность проявляется только в сочетании с другими онлайн- и офлайн-данными фабрики для разработки инструментов обеспечения лучшего контроля качества.
Программные датчики и стратегии расширенного управления
Программные датчики, или расчетные онлайн-измерения, обладают огромным потенциалом для управления процессом размола. Программный датчик, адаптированный к конкретному технологическому процессу предприятия, может быть создан с использованием комбинации лабораторных экспериментов и машинного обучения. Затем могут быть применены новые методы усовершенствованного управления технологическим процессом, включающие прогнозируемую переменную прочности бумаги для оптимизации процесса размола.
Внедрение программных датчиков и стратегий усовершенствованного управления станет для производителей все более важным фактором, позволяющим обеспечить более жесткий контроль процесса при одновременном снижении вариативности и количества брака.
Сегодня многие предприятия внедряют контроль степени помола, поскольку теперь стало возможным частое, автоматизированное и точное измерение этого показателя с помощью автоматизированных измерительных систем в сочетании с этими онлайн-программными датчиками. Однако степень помола — это довольно грубый инструмент. Ее часто используют как индикатор потенциала связующей способности целлюлозы, но на самом деле это измерение дренируемости целлюлозы, что может быть важно, если этот показатель ограничивает скорость бумагоделательной или картоноделательной машины. Тем не менее, более низкая степень помола может быть получена несколькими способами: в результате размола, из-за более высокой концентрации нежелательных лучевых клеток с малой площадью поверхности и низкой связующей способностью или из-за более коротких волокон. Более практичная характеристика целлюлозы использует другие измерения морфологических свойств волокон, такие как площадь поверхности целлюлозы, рассчитанная на основе совокупной длины и ширины волокон, что более напрямую коррелирует с прочностью конечного продукта.
В результате становится возможным управление по замкнутому контуру с использованием прогнозируемых показателей прочности и параметров морфологии волокон для манипулирования и точного контроля операций размола целлюлозы и подготовки бумажной массы. Стабилизация и непрерывный контроль показателей прочности могут привести к снижению вариативности прочности и улучшению эксплуатационных характеристик машины, качества и производительности.
Более пристальное внимание к пониманию влияния деформированных волокон, поскольку растяжимая бумага призвана заменить пластик
Растяжимость бумаги уже важна для определенных видов специальной бумаги, включая мешочную бумагу, используемую для цемента, химикатов и муки, где требуется гибкость бумаги без разрывов. В связи с растущим спросом на экологически чистые продукты, которые являются биоразлагаемыми, пригодными для вторичной переработки и компостирования, разрабатывается множество новых продуктов на бумажной основе для замены пластиковой упаковки, при этом основной задачей часто является сохранение растяжимости, эквивалентной пластику.
Один из способов преодолеть это — создать сеть деформированных или скрученных волокон, что может быть достигнуто с помощью химических или механических процессов. Деформированные волокна создают более эластичную бумагу при свободной сушке. Чтобы гарантировать, что целлюлоза обладает соответствующими свойствами для получения желаемого растяжения, анализаторы морфологии волокон могут использоваться для измерения ряда свойств, включая коэффициент формы и индекс извитости.
Крафт-волокна, обработанные для придания извитости (источник FPInnovations)
Моделируемая волокнистая сеть со скрученными волокнами
Коэффициент формы — это важный показатель качества целлюлозы, используемый для определения прямолинейности волокон. В то время как высокий коэффициент формы хорошо коррелирует с прочностью на разрыв и жесткостью, более низкий коэффициент формы указывает на наличие деформаций, которые позволяют волокнам растягиваться.
Индекс извитости используется для выявления локальных деформаций или «колен» в волокнах. Для расчета индекса извитости подсчитываются изменения направления главной оси волокон на ограниченном расстоянии, если угол составляет 20° или более. Измерение извитости в большинстве случаев хорошо коррелирует с коэффициентом формы, поскольку локальные деформации включены в коэффициент формы.
Используя одно или оба этих измерения и сопоставляя их с измеренным растяжением отливок или конечного продукта, производители могут оптимизировать свои химические или механические методы фиксации извитости для достижения желаемой растяжимости. Это, несомненно, приведет к появлению новых видов растяжимой бумаги, которые станут важными экологичными заменителями пластиковой упаковки.
ВЫВОДЫ
Методы измерения волокон в лаборатории существуют столько же, сколько и технологии производства целлюлозы, но сейчас отрасль находится в захватывающей точке, когда более совершенные технологии готовы помочь сделать оптимизацию продукта, процесса и качества не просто возможной, а легко достижимой.
Появление более быстрых и точных измерений, а также новых способов характеристики морфологии волокон, как в лаборатории, так и онлайн, дает отрасли огромные преимущества. Используя их вместе с решениями на основе больших данных и стратегиями усовершенствованного управления, производители бумаги смогут улучшить качество и снизить вариативность при одновременном сокращении производственных затрат. Внедрение этих технологий для разработки бумажных изделий будущего — это отличная инвестиционная возможность, учитывая уникальный сценарий низкого риска и высокой отдачи, который они предлагают.
Различные типы деформации волокон
Микроскопические изображения предоставлены RISE
