Wpływ war unków formowania wstęgi w części sitowej maszyny papierniczej na właściwości papierów higienicznych An Effect of Sheet Formation Conditions in Wire Section on Tissue Properties Mariusz Reczulski, Włodzimierz Szewczyk Dynamiczny rozwój rynku papierów higienicznych powoduje nie tylko wzrost ilości produkowanych papierów, ale także stawia coraz większe wymagania co do ich jakości. Jednocześnie w produkcji tego rodzaju papierów można zaobserwować trendy związane z ekologią i zmniejszaniem kosztów produkcji i zużycia surowców (1). Znaczna część papierów higienicznych produkowana jest na bazie włókien wtórnych. Stosowanie tańszych surowców i mniejszych gramatur sprzyja zmniejszeniu zużycia materiałów i obniżeniu cen wyrobów. W tej sytuacji osiągnięcie wysokiej jakości papierów wymaga zachowania wysokich reżimów technologicznych i utrzymania właściwego stanu technicznego maszyn. Konsumenci wymagają od wyrobów higienicznych odpowiednich właściwości użytkowych zarówno w zakresie estetyki, jak i wytrzymałości. Cechy te są kształtowane w całym procesie produkcji wyrobu finalnego, tzn. zarówno podczas wytwarzania jak i przetwarzania papieru, ale już dla poprawnego przebiegu procesów przetwórczych wymagane są określone właściwości mechaniczne surowca. Podstawowe z nich to odpowiednia przepuszczalność powietrza, wytrzymałość i rozciągliwość w kierunku maszynowym i poprzecznym, a w szczególnych przypadkach określony współczynnik ortotropii wytrzymałości lub rozciągliwości. Powszechnie wiadomo, że wymagana w przypadku papierów higienicznych krepa uzyskiwana jest w procesie suszenia na cylindrze Yankee, a jej wartość może być regulowana poprzez odpowiednie zróżnicowanie prędkości cylindra i nawijaka (2). Na wiele cech struktury włóknistej, a w szczególności na grubość i pulchność, wpływa proces prasowania. Ale na wytrzymałość papieru na rozciąganie, jego rozciągliwość w kierunku poprzecznym, czy przezrocze największy wpływ ma formowanie wstęgi w części sitowej (3). Właściwości te są w znacznym stopniu zależne od charakteru ułożenia włókien, który po opuszczeniu części mokrej jest już w zasadzie określony i w procesie suszenia ulega niewielkim zmianom. Słowa kluczowe: papiery higieniczne, właściwości użytkowe, warunki formowania, anizotropia, listwy odwadniające, mokre skrzynki ssące, rozkłady podciśnień, pulsacje ciśnienia A dynamic growth of tissue market not only increases production capacity but also quality requirements. Apart from that, in the production of this paper grade we observe trends focused on environmental protection and reduced costs of production and consumption of raw materials (1). Significant volume of tissue paper is manufactured from secondary fibres. Cheaper raw materials and lower grammage contribute to reduced consumption of materials and lower prices for tissue products. In such situation, to obtain high quality of paper, higher technological and technical standards are required. Consumers expect tissue products with high esthetical and strength properties. These properties are formed in the entire production process of a final product, i.e. during paper manufacturing and converting. However, to maintain efficient converting processes, specific mechanical properties of raw materials are required. The basic properties include air permeability, strength and elasticity in machine and cross direction and, in some cases, a specific index of strength or elasticity. It is well known, that a crepe effect is obtained in drying process on Yankee cylinder and its value can be controlled by a speed of cylinder and winder (2). Various properties of fibrous structure, especially thickness and bulkiness, are impacted by pressing process. However, paper tensile strength, elasticity in cross direction or transparency are mainly affected by sheet formation in the wire section (3). These properties significantly depend on the fibres formation type, which when leaving a dry end is almost fixed and does not change much when being dried. Keywords: tissue paper, properties, formation conditions, anisotropy, drainage foils, wet suction boxes, subpressure distribution, pressure fluctuations Dr inż. M. Reczulski, dr hab. inż. W. Szewczyk, Instytut Papiernictwa i Poligrafii Politechniki Łódzkiej, ul. Wólczańska 223, 90-924 Łódź PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 LUTY 2013 125
Podstawowe parametr y charak ter y zujące pracę części sitowej i wlewu Jednym z parametrów charakteryzujących pracę wlewu jest wysokość szczeliny wypływowej. Jej wartość jest zależna od gramatury papieru, który ma być produkowany, oraz od stężenia masy we wlewie. Przy stałej gramaturze produkowanego papieru, ze wzrostem stężenia masy powinna maleć wysokość szczeliny wylotowej. Różnicowanie wysokości szczeliny na poszczególnych odcinkach szerokości maszyny papierniczej jest wykorzystywane do wyrównywania profilu gramatury w kierunku poprzecznym wstęgi papieru. Jednakże regulacja szczeliny w jednym miejscu powoduje zwykle zmiany gramatury w sąsiednich miejscach. Jest to wywołane rozprzestrzenianiem się włókien przechodzących przez poszczególne miejsca szczeliny w szersze strumienie, które się ze sobą częściowo mieszają, a także ugięciem górnej ścianki dyszy wylotowej na długości większej niż długość regulowanego odcinka, na którym dokonano zmiany wysokości szczeliny. Utrudnia to poprawne wyregulowanie otwarcia szczeliny na całej szerokości maszyny (4). W masie dostarczanej do wlewu można stwierdzić czasem pulsacje ciśnienia, powodujące okresowe, krótkotrwałe wahania gramatury wzdłuż wstęgi papieru. Wahania natężenia przepływu powstają w miejscach, gdzie na krótkim odcinku następuje gwałtowny spadek ciśnienia. Przyczyną tego są gwałtowne zmiany kierunku lub prędkości przepływu. Wykrycie źródła zakłóceń jest często bardzo skomplikowane. Wymaga ono wyodrębnienia pewnej cykliczności wahań gramatury papieru, której częstotliwość zgadzałaby się z częstotliwością drgań poszukiwanego źródła zakłóceń (4). Istotnymi parametrami wpływającymi na formowanie wstęgi papieru są kąt i miejsce padania strumienia masy na sito. Kąt wypływu strumienia ze szczeliny wylotowej β (rys. 1) zależny jest głównie od położenia górnej i dolnej wargi urządzenia wylewowego w stosunku do siebie. Im bardziej górna warga jest cofnięta w stosunku do krawędzi dolnej wargi, tym bardziej kierunek strumienia jest zbliżony do poziomego. Odwrotnie, jeśli górna warga jest wysunięta do przodu Rys. 1. Kąt padania strumienia masy na sito (4) Rys. 2. Niewłaściwy rozstaw listew odwadniających (6) Brakująca listwa Brakująca listwa Rys. 3. Niekompletny zespół listew odwadniających w stosunku do dolnej, wówczas strumień uzyskuje dużą prędkość skierowaną ku dołowi, co może doprowadzić do zbyt intensywnego początkowego odwadniania masy (4). W zespole rejestrowym maszyny papierniczej zachodzą dwa procesy mające zasadniczy wpływ na właściwości wytwarzanego papieru, tj. formowanie i odwadnianie wstęgi. Strumień masy, wylewający się na sito ze szczeliny wlewu, jest formowany w mokrą wstęgę, której struktura, utrwalona w wyniku dalszej jej konsolidacji (prasowania, suszenia, gładzenia), decyduje o właściwościach papieru. Proces zmiany strumienia zawiesiny w mokrą wstęgę trwa bardzo krótko, dlatego jego przebieg powinien być ustalony i regulowany bardzo precyzyjnie. Jednym z ważniejszych czynników mających wpływ na te zjawiska jest współczynnik wyprzedzania sita. Współczynnik wyprzedzania sita jest to stosunek prędkości wypływu masy z wlewu do prędkości sita. Wywiera on decydujący wpływ na stopień zorientowania włókien we wstędze (a więc i na jej anizotropię) oraz wpływa na przezrocze papieru (5). Niewłaściwy stan techniczny maszyny papierniczej nie tylko pogarsza jakość produkowanego papieru, ale także powoduje przedwczesne zużycie jej elementów. Zbyt duże odległości pomiędzy listwami w części sitowej maszyny papierniczej (rys. 2) lub usuwanie listew (rys. 3) powodują, oprócz zaburzeń w formowaniu i odwadnianiu zawiesiny, zagłębienie się sita poniżej powierzchni stołu. Efektem tego może być m.in. nierównomierny nacisk sita na powierzchnię listew. Największy nacisk sita występuje wtedy na brzegach listew i w takiej sytuacji sito, trąc o brzegi listew, powoduje ich przyspieszone zużycie. Znacznie szybciej zużywa się również powierzchnia sita (6). 126 PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 LUTY 2013
Listwy Listwy Skrzynki ssące Poziom powierzchni listew odwadniających Skrzynki ssące Rys. 4. Niewłaściwy rozstaw listew w mokrych skrzynkach ssących (5) Rys. 5. Niewłaściwe ustawienie elementów odwadniających (5) To samo dotyczy mokrych skrzynek ssących (rys. 4). Mokre skrzynki ssące o listwach niewłaściwie rozstawionych powodują, że podciśnienie wciąga sito do wnętrza skrzynki, tym samym rozkład nacisku sita jest nierównomierny na powierzchni listew. Istotna w tym przypadku jest również wartość podciśnienia w skrzynce ssącej. Nierównoległe ustawienie powierzchni listew odwadniających oraz skrzynek ssących do powierzchni sita lub przemieszczenie się ich podczas pracy (rys. 5) powoduje, przyśpieszenie zużycia powierzchni. Zdarza się to, gdy listwy bądź skrzynki ssące nie są ustawione dokładnie w poziomie lub też, gdy znajdują się na różniej wysokości (5). Wymienione ujemne skutki niewłaściwego działania elementów odwadniających powodują konieczność sprawdzania i korygowania ich ustawienia. Rys. 6. Profil gramatury wzdłuż wstęgi papieru mierzony po stronie napędu (SN), w środku (ŚR) i po stronie obsługi (SO) Pulsacje ciśnienia Źródłem zakłóceń profilu gramatury w kierunku wzdłużnym wstęgi papieru mogą być pulsacje ciśnienia masy. Powodują one cykliczne wahania gramatury oraz innych właściwości papieru. Pomiar pulsacji ciśnienia masy wykonuje się w różnych punktach układu doprowadzenia masy, aby wykryć źródło zakłóceń. Jako ilustracja wpływu pulsacji we wlewie na gramaturę papieru mogą służyć wyniki pomiarów wykonanych w trakcie produkcji papieru workowego o gramaturze 70 g/m 2. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów stwierdzono występowanie wahań gramatury (rys. 6), o częstotliwości pokrywającej się z częstotliwością pulsacji ciśnienia masy we wlewie. Wahania gramatury występowały w kierunku wzdłużnym wstęgi, przy częstotliwościach od 0,4 do ponad 20 Hz, a ich maksymalna amplituda dochodziła do 4 g/m 2 (przy prędkości maszyny 300 m/min). Nie zawsze jednak powodem wahań gramatury są pulsacje masy. Na podstawie wyników pomiarów papierów tissue, zestawionych na wykresie na rysunku 7, można zauważyć duże wahania profilu gramatury w kierunku maszynowym (MD) w poszczególnych punktach pomiarowych na szerokości wstęgi. Na badanej długości wstęgi (10 m) wahania gramatury w kierunku maszynowym wynoszą ok. 3 g/m 2. Charakter zmienności wzdłużnych profili gramatury (rys. 7) nie wskazuje na występowanie regularnych pulsacji ciśnienia masy Rys. 7. Profil gramatury wzdłuż wstęgi papieru mierzony po stronie napędu (SN), w środku (ŚR) i po stronie obsługi (SO) w układzie jej doprowadzania do wlewu, a powodem wahań gramatury jest w tym przypadku niewłaściwe funkcjonowanie elementów odwadniających. Współczynnik wyprzedzenia sita Jednym z ważniejszych czynników mających wpływ na stopień zorientowania włókien we wstędze (a więc i na anizotropię papieru) oraz na przezrocze papieru jest współczynnik wyprzedzania sita. Na maszynie papierniczej produkującej papier tissue z prędkością 700 m/min przeprowadzono badania mające na celu określenie właściwości mechanicznych w płaszczyźnie papieru przy zmiennym współczynniku wyprzedzania sita. Wyniki badań papierów wyprodukowanych w trakcie prób zestawiono na rysunkach 8 i 9. PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 LUTY 2013 127
Zmniejszanie wartości współczynnika wyprzedzenia sita powinno powodować, że ułożenie włókien we wstędze będzie się zbliżało do kierunku maszynowego (MD). W następstwie tego powinna rosnąć rozciągliwość w kierunku poprzecznym (CD), maleć rozciągliwość w kierunku maszynowym, a odwrotnie powinny się zmieniać wytrzymałości na rozciąganie w obydwu kierunkach. Jednak w zbadanym przypadku uzyskano inne wyniki, co ilustrują wykresy pokazane na rysunkach 8 i 9. Przy wartościach współczynnika poniżej 0,97 zauważono wyraźne pogorszenie przeźrocza oraz gwałtowny spadek wytrzymałości i rozciągliwości. Poprawa przezrocza i właściwości mechanicznych papierów, była zauważalna przy wartościach współczynnika powyżej 1,03. Powodem opisanego wpływu współczynnika wyprzedzenia sita na podstawowe właściwości mechaniczne papieru było niewłaściwe działanie elementów odwadniających, których wyniki badań przedstawiono dalej. Ustawienie elementów odwadniających Rys. 8. Wytrzymałość na zerwanie w zależności od wartości współczynnika wyprzedzania sita Rozciągliwość, % Współczynnik wyprzedzania sita Rys. 9. Rozciągliwość papieru w zależności od wartości współczynnika wyprzedzania sita Wyniki pomiarów kątów odchylenia listew w analizowanej maszynie przedstawiono na rysunku 10. W większości przypadków można stwierdzić, że zalecane na listwach wartości kątów odchylenia nie pokrywają się z wartościami zmierzonymi. O rzeczywistym kącie ustawienia listwy decyduje ustawienie korpusu, na którym umieszczone są listwy oraz podany kąt na powierzchni listwy. Dlatego też różnice w kątach odchylenia badanych listew w stosunku do wartości podanych mogą być spowodowane odkształceniem korpusów. Analizując wartości kątów odchylenia listew odwadniających można zauważyć, że na początku części rejestrowej występują duże kąty, co powoduje intensywne odwadnianie zawiesiny. Jest to niekorzystne dla jakości papieru. Odwadnianie na początku stołu sitowego powinno być stosunkowo łagodne, a dalej bardziej intensywne. W części rejestrowej badanej maszyny brakowało listew odwadniających, pomimo umieszczonych korpusów (rys. 11), co powodowało duże zagłębienie się sita i nierównomierny nacisk sita na powierzchnię listew. Brak listew w części sitowej maszyny może powodować również podrzut masy na krawędzi następnej listwy i w konsekwencji złe formowanie zawiesiny. Takie nieprawidłowości w części rejestrowej maszyny papierniczej powodują duże zaburzenia podczas formowania i odwadniania masy na sicie, czego konsekwencją może być zmienny profil gramatury na szerokości papieru. Wyniki pomiarów przebiegu zmienności gramatury na szerokości wstęgi papieru wytworzonej z masy makulaturowej pokazano na rysunku 12. Zły stan elementów odwadniających ma istotny wpływ na właściwości mechaniczne papierów, co obrazują wyniki pomiarów papierów tissue o gramaturze 18 g/m 2. Na podstawie wykresów rozciągania określono napięcie zrywające i rozciągliwość w kierunku maszynowym (MD) i poprzecznym (CD) (rys. 13 i 14). Kąt nachylenia listwy, ( ) Nr listwy odwadniającej Rys. 10. Kąty odchylenia poszczególnych listew odwadniających (pomiary w czasie postoju maszyny); SO strona obsługi, SN strona napędu, W zalecane wartości kątów na powierzchni listew 128 PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 LUTY 2013
Zawiesina Sito Brakująca listwa Rys. 11. Zaburzenia podczas formowania i odwadniania zawiesiny Rozciągliwość, % Nr tambora Rys. 14. Rozciągliwości w obu kierunkach badanych bibułek Napięcie zrywające, kn/m Rys. 12. Przebieg zmienności gramatury na szerokości wstęgi papieru Nr tambora Rys. 13. Wytrzymałość bibułek tissue na zerwanie w obu kierunkach Na podstawie zaprezentowanych wyników można stwierdzić, że rozciągliwość bibułek w kierunku poprzecznym we wszystkich badanych tamborach nie przekracza 3%. Wydłużenie tego rodzaju papierów w kierunku poprzecznym zazwyczaj zawiera się w przedziale 2 4% (8). To oznacza, że rozciągliwość papieru oscyluje w okolicach dolnych wartości tego przedziału. Jednocześnie analiza wytrzymałości na zerwanie badanych bibułek pokazuje, że jest ona podobna w obydwu podstawowych kierunkach (w przypadku innych papierów stosunek wytrzymałości w kierunku wzdłużnym do wytrzymałości w kierunku poprzecznym zwykle wynosi ok. 2:1). Dlatego uzyskane wyniki sugerowały nietypowe ułożenie włókien w badanych papierach. W celu określenia zmian właściwości mechanicznych na szerokości wstęgi papieru, z jednego zwoju pobrano próbki z różnych miejsc na szerokości maszyny. Wyniki pomiarów właściwości tych Rozciągliwość, % Napięcie zrywające, kn/m Odległość od SO, m Rys. 15. Rozkłady wytrzymałości na zerwanie na szerokości wstęgi Odległość od SO, m Rys. 16. Rozkłady rozciągliwości na szerokości wstęgi PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 LUTY 2013 129
Rozciągliwość w kierunku CD, % próbek (wartości średnie z dziesięciu pomiarów dla danego punktu pomiarowego na szerokości wstęgi) zamieszczono na rysunkach. 15 i 16. Nr punktu pomiarowego (punkty oddalone od siebie w kierunku MD o ok. 4 m) Rys. 17. Zmienność rozciągliwości bibułki tissue w kierunku poprzecznym Dla wszystkich punktów pomiarowych maksymalna i minimalna wartość pomiaru rozciągliwości w kierunku poprzecznym wynosi odpowiednio 3,4% i 2,58%. Dość duży i nierównomierny rozrzut wyników rozciągliwości w kierunku CD nie gwarantuje utrzymania wymaganych właściwości papieru nawet w bobinach wyprodukowanych z jednego zwoju. Ponadto, w badanym papierze występowały znaczne zmiany rozciągliwości w kierunku CD na długości wytwarzanej wstęgi, co ilustruje rysunek 17. Przyczyną powstawania omówionych wad było nieprawidłowe formowanie wstęgi w części sitowej analizowanej maszyny. Wpł y w war tości i rozk ładu podciśnień na jakość formowania i odwadniania Nie tylko źle działające listwy odwadniające w części sitowej powodują zaburzenia w formowaniu i odwadnianiu masy na sicie. Mokra skrzynka ssąca niepodłączona do źródła wytwarzającego niskie podciśnienie w jednej ze zbadanych maszyn powodowała wiele niekorzystnych zjawisk, takich jak: - zużycie sita oraz powierzchni listew, - zwiększone zużycie energii do pokonania sił tarcia pomiędzy sitem a listwami. Rys. 18. Wyniki pomiarów podciśnień w skrzynkach ssących W związku z brakiem podciśnienia, skrzynka odwadniająca pełniła jedynie funkcję podpory sita na stole sitowym. Stosując zespół skrzynek ssących należy uwzględnić wartości rozkładu podciśnienia w każdej skrzynce i zasadę, że podciśnienie powinno wzrastać stopniowo. Jest ona warunkiem optymalnego odwodnienia wstęgi i oszczędności energii. Pomiary przeprowadzone na wybranej maszynie papierniczej, produkującej papiery higieniczne z mas makulaturowych o gramaturze 40 g/m 2 z prędkością 200 m/min, wykazały niewłaściwy rozkład podciśnień w skrzynkach ssących (rys. 18). Zespół składał się z ośmiu skrzynek z podciśnieniami mieszczącymi się w zakresie 8 do 30 kpa, przy czym najwyższe wartości podciśnień były w skrzynkach o nr 5, 6 i 7. Jeżeli podciśnienie w dalszych skrzynkach jest niższe niż w poprzednich, to maleje efektywność procesu odwadnianie wstęgi. Tracona jest także energia niezbędna do wytwarzania podciśnienia oraz następuje wzrost obciążenia napędu sita. Właściwe ustawienie i utrzymywanie parametrów eksploatacyjnych skrzynek ssących jest podstawowym warunkiem ich efektywnej pracy. Wnioski Aby osiągnąć wysokie wartości wskaźników jakości papierów higienicznych potrzebne są nie tylko odpowiednie surowce włókniste i parametry technologiczne, ale także odpowiedni stan techniczny maszyny zapewniający poprawne: formowanie wstęgi w części sitowej oraz jej prasowanie, suszenie i krepowanie. Pomimo że ogólnie znany jest wpływ geometrycznego ustawienia wlewu i elementów odwadniających w części sitowej na podstawowe właściwości fizyczne papierów, to jednak bardzo często ich ustawianie i regulowanie nie jest właściwe, co w konsekwecji powoduje obniżenie jakości produkowanych papierów. Literatura 1. Rogut R., Klepaczka A. :,,Tendencje w prasowaniu i suszeniu papierów higienicznych, Przegl. Papiern. 57, 10, 623-627 (2001). 2. Rogut R., Klepaczka A.:,,Tendencje w prasowaniu i suszeniu papierów higienicznych ; INPAP Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna, Rogowiec 17 19 październik 2001. 3. Klepaczka A.:,,Postęp w produkcji bibułek higienicznych najnowsze rozwiązania techniczne Beloita, Przegl. Papiern. 53, 5, 305-306 (1997). 4. Szwarcsztajn E.: Technologia papieru, Cz. II, Wydawnictwo przemysłu lekkiego i spożywczego, Warszawa 1968. 5. Rogut R.: Ćwiczenia laboratoryjne z maszyn i urządzeń papierniczych, Cz. I, Skrypt dla szkół wyższych, Łódź 1977. 6. Łachecki Cz., Witkowski Z.: Obsługa sita maszyny papierniczej, Wydawnictwo przemysłu lekkiego i spożywczego, Warszawa 1955. 7. Paulapuro H.:,,Paper and Board Grades Book 18. TAPPI Press, Helsinki 2000. 8. Szwarcsztajn E.: Właściwości wytworów papierniczych, Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Przemysłu Papierniczego w Polsce, Łódź 1988. Praca recenzowana 130 PRZEGLĄD PAPIERNICZY 69 LUTY 2013