Гармонизировать стандарты

В современных рыночных условиях целлюлозно-бумажная промышленность, являясь одной из наиболее капиталоемких отраслей мировой промышленности, требует концентрации усилий для максимального повышения производительности и прибыльности. С одной стороны, это требует непрерывного создания все более совершенных и высокопроизводительных машин и экономного использования сырьевых ресурсов, с другой – конкурентоспособность существующих предприятий должна быть подкреплена мерами по повышению качества и производительности, эффективным обслуживанием и соблюдением норм охраны окружающей среды. Все эти аспекты одинаково важны для сохранения конкурентоспособности в будущем.

Наличие устаревших производственных мощностей, дефицит волокнистого сырья, обострение конкуренции на мировом рынке – все эти факторы и вместе с тем большая потребность общества в тароупаковочных видах продукции свидетельствуют, что в таких условиях задача повышения эффективности осуществления всего комплекса процессов технологии приобретает неотложный характер.

На современном этапе для многих предприятий особый интерес представляют исследования, касающиеся решения проблем использования вторичного сырья для производства гофрированного картона, что позволяет управлять процессами технологии с целью достижения наилучших результатов по качеству и себестоимости продукции. К числу этих проблем относятся:

• методы восстановления бумагообразующих свойств волокна из макулатуры;
• оптимизация выбора гофроматериалов (бумаги и картона), которые для производства гофрированного картона будут наиболее технологически целесообразными и экономически выгодными;
• способы улучшения потребительских свойств гофрированного картона из макулатуры;
• гармонизация нормативной документации в связи с расширением рынка и необходимостью сотрудничества в единой системе международной стандартизации.

Потребительские свойства гофрированного картона и ящиков из него прежде всего зависят от вида и совокупности свойств исходных материалов. Однако вопрос о том, какие именно свойства бумаги и картона должны использоваться в мировой практике, решается неоднозначно.

Ниже представлены основные из важнейших проблем, с которыми сталкиваются производители и потребители при производстве бумаги для гофрирования и картона для плоских слоев:

• современные производители выпускают продукцию в тоннах, а при производстве гофрокартона, бумаги и картона используются метры квадратные;
• бумагу для гофрирования часто используют в качестве не только лайнера, но и флютинга (существующими стандартами не предусмотрено), что приводит к выпуску нестандартной продукции;
• высокая неоднородность поверхности и значительная анизотропия свойств по двум направлениям, колебания толщины, плохой просвет, что приводит к колебаниям модуля упругости и жесткости даже в рамках одной партии картона;
• существующими стандартами предусмотрена поверхностная проклейка верхнего слоя гофрированного картона, в то время как проклейка сегодня осуществляется внутримассно, что приводит к перерасходу клея у производителей бумаги и проблемам со склейкой у производителей гофротары (сухому расслаиванию).

Анализ международных и существующих стандартов и технических спецификаций зарубежных производителей показывает отличия в номенклатуре показателей качества лайнера, флютинга и гофротары по сравнению с требованиями стандартов на продукцию (см. табл. 1). Как видно из приведенных данных, требования, предъявляемые к таре, гофрированному картону и, как следствие, к бумаге и картону в них, – несопоставимы. Выпускаемые в настоящее время картон и бумага для производства упаковки во многих случаях не соответствуют существующим стандартам в связи с преимущественным использованием отечественными производителями вторичного сырья при их производстве. Действующие стандарты разработаны для продукции, при производстве которой используют целлюлозное сырье. Невозможность вырабатывать продукцию, в композиции которой содержится вторичное волокно, в соответствии с требованиями существующих стандартов и привела к необходимости разработки Технических условий, в которых заложены показатели, приемлемые для данного предприятия, которые не всегда отвечают необходимым свойствам лайнера и флютинга, от которых зависит их способность к переработке на гофроагрегате и потребительские свойства тары из гофрокартона.

Важно отметить, что поведение материалов при механическом воздействии складывается из способности к деформированию (жесткости и устойчивости) и прочности штабеля. На тару действуют две нагрузки: динамическая (вследствие удара при свободном падении) и статическая (обусловленная сжатием при штабелировании и перемещении).

Вполне естественно, что принятые требования классификации по нагрузкам к картонной таре и далее к гофрированному картону обязательно должны повлечь за собой классификацию по нагрузкам на бумагу и картон. Очевидно, что все стандарты должны быть связаны с качеством тары и иметь аналогичные показатели, характеризующие прочностные и жесткостные качества. 

Как показала практика, получить гофрированный картон, соответствующий требованиям ГОСТ 7376, из бумаги и картона, содержащего от 80% до 100% вторичного волокна в композиции, практически невозможно, поскольку показатели жесткости и прочности трудно совместимы. Поэтому некоторые потребители отказываются от использования для оценки механических свойств сопротивления продавливанию, отдавая предпочтение показателю прочности на сжатие в поперечном направлении. Поскольку установлена тесная зависимость между сопротивлением сжатию наружных и гофрированного слоев с аналогичным показателем у гофрокартона и ящиков, то не вызывает сомнения, что определение сопротивления сжатию лайнера и флютинга вне зависимости от других свойств материалов является необходимой характеристикой для оценки качества сырья.

Так как не обнаружена связь между СТС и СПС (сопротивление плоскостному сжатию), большинство исследователей считают необходимым выделить два основных параметра гофрокартона:

• сопротивление сжатию вдоль гофров (жесткость);
• сопротивление продавливанию.

В последнее время наблюдается тенденция снижения массы и, следовательно, толщины гофрокартона. Со снижением толщины гофрокартона с гофра А на В и С также снижается показатель жесткости тары, изготовленной из первичного волокна, а прочности – из вторичного. Доказано, что с увеличением массы 1 м² картона в степенной зависимости увеличивается СТС гофрокартона. Поэтому и показатель толщины как для сырья, так и для продукции тоже является доминирующим.   

Это подтвердила своими исследованиями Т. Н. Каменщикова. Она показала, что сопротивление торцевому сжатию (СТС) гофрокартона вдоль гофров почти линейно растет с ростом массы 1м² флютинга. С ростом массы флютинга со 120 г/м²  до 150 г/м² СТС увеличилось примерно на 30%. В результате исследований автор приходит к выводу, что жесткость флютинга по методу кольца увеличивается с ростом массы в пределах одной марки флютинга, а также при одинаковых массах с изменением марки. Между СТС и жесткостью флютинга по кольцу связь не линейная, а степенная, указывающая на прогрессивный рост СТС гофрокартона в исследованных пределах жесткости флютинга по кольцу.  

В работе на основе анализа зарубежных стандартных методов отмечается, что все большее количество потребителей отказывается от использования для оценки механических свойств сопротивления продавливанию, отдавая предпочтение показателям, характеризующим прочность на сжатие в поперечном направлении. В настоящее время в Европе отдается предпочтение оценке СТС короткого участка образца флютинга или лайнера (метод SCT), однако этим методом пользуется незначительное количество предприятий из-за дороговизны прибора.

Все это говорит о том, что в существующих постоянно изменяющихся условиях производства компонентов гофрокартона из макулатуры уверенно прогнозировать качество гофрокартона по выходным средним данным, характеризующим массу, толщину и механическую прочность картона-лайнера и флютинга, опираясь на существующее теоретическое представление, вряд ли возможно. В этой ситуации выигрывает тот производитель, который имеет все необходимые приборы для контроля качества конечной продукции и который сам перерабатывает компоненты в гофрокартон.

У такого производителя больше шансов управлять качеством компонентов и достоверно отслеживать зависимость ВСТ от параметров производимых здесь же компонентов. 

По формуле (1), связывающей свойства гофрокартона и сопротивление гофроящика сжатию, можно рассчитать ВСТ для ящиков из 3-слойного гофрокартона:

ВСТ = 17,7 х ЕСТ1,06 х d0.85 x (L + В)0,3

и для ящиков из 5-слойного гофрокартона:

ВСТ = 17,7 х ЕСТ 0,85 х d 0,65 х ( L + В )0,38,

где d – толщина гофрокартона, мм, L – длина ящика, мм, В – ширина ящика, мм, ЕСТ – сопротивление торцевому сжатию гофрокартона.

Следовательно, руководствуясь показателем сопротивления торцевому сжатию, мы высчитываем качество ящика, необходимое для транспортировки груза.

Во время транспортировки грузов на поддонах основным требованием является устойчивость каждой упаковки в общей стопе для сохранения товарного вида тары, точность геометрических размеров и формы ящиков. Это еще раз указывает на то, что жесткостные свойства картона влияют на качество тары больше, чем прочностные, так как сопротивление сжатию стенок ящиков в большей степени отражает прочность и надежность гофротары, определяющие допустимую высоту штабелей при хранении и транспортировке.

Специалистам известны выведенные эмпирические корреляционные зависимости в виде математических уравнений (формула Беллеруда), которые показывают, что сопротивление гофрокартона торцевому сжатию (ЕСТ) зависит от суммы прочностных характеристик всех компонентов, а именно:  

ЕСТ= 0,45 х (RСТ1 + (Л х СТ1) + RСТ2 ) + 2,12, (1)

где ЕСТ – сопротивление торцевому сжатию гофрокартона, кН/м;
RСТ – сопротивление картона для плоских слоев сжатию кольца, Н;
ССТ – сопротивление торцевому сжатию гофрированого образца бумаги, кН/м;
Л – коэффициент гофрирования.

Из формулы видно, что показатель сопротивления плоскостному сжатию бумаги для гофрирования (СМТ) не учитывается при определении ЕСТ, то есть он прямо не влияет на данный показатель.

По этим формулам прогнозировали сопротивление сжатию любого ящика, учитывая его размеры и свойства гофрокартона. 

Проведенные практические расчеты показывают, что формула Беллеруда (1) пригодна для применения только в пределах показателя ЕСТ от 2,0 до 3,4 кН/м и не может быть использована для прогнозирования марок гофрокартона, высших чем Т-22.

Компоновка картона и бумаги различных марок с различными массами 1 м² и качественными показателями с использованием данной формулы не дали возможности получить значение показателя ЕСТ сопротивления торцевому сжатию гофрокартона более 3,4 кН/м.

Для прогнозирования ЕСТ от 3,8 до 8,2 кН/м, которым можно характеризовать более высокие марки гофрированного картона – от Т-23 до Т-29 – формулу (1) усовершенствовали:

ЕСТ = 0,50 х (RСТ1 + (L х Н х ССТ1) + RСТ2 ), (2)

где ЕСТ – сопротивление торцевому сжатию гофрокартона, кН/м;
RСТ – разрушающее усилие при сжатии кольца картона, Н;
ССТ – сопротивление торцевому сжатию гофрированного образца бумаги, кН/м;
L – коэффициент  гофрирования;
Н – высота гофра;
К = 0,50 – коэффициент (отношение высоты гофра к шагу волны гофра) для гофра типа С. (Для типа А – 0,49; типа В – 0,51).

Согласно расчетам показателя ЕСТ, проведенным по этой модели для гофров типа А, С, В, установлен линейный характер зависимости ЕСТ показателя ССТ бумаги для гофрирования и его массы 1 м² и подтверждена корректность внесенных в формулу (1) поправок. Характер линейных зависимостей изображен на рис. 1.

Проведенные по формуле (2) расчеты дают возможность утверждать, что доля жесткости картона в показателе ЕСТ составляет от 1 до 10%, а основную нагрузку воспринимает гофрированный слой бумаги. В результате обобщения результатов исследования получаем, что доля картона для плоских слоев, которая в общей массе гофрокартона составляет 60–70%, воспринимает лишь до 10% нагрузки, а гофрированный слой бумаги в общей массе гофрокартона составляет 30–40%, воспринимает 90% нагрузки. Это означает, что для повышения качества упаковки необходимо повышать качество исходных материалов, а для получения гофрированного картона с заданными показателями экономически целесообразно снижать массу 1 м² картона для плоских слоев и увеличивать массу 1 м² бумаги для гофрирования Использование формулы (2) и линейной зависимости между показателями ЕСТ и ССТ дает возможность прогнозировать показатель жесткости гофрированного картона с любым типом гофра. Применение разработанной математической модели будет способствовать рациональному использованию волокнистого сырья. Возможность оптимального сочетания материалов позволит изготавливать гофрированный картон с заданными характеристиками качества из наиболее экономически целесообразного варианта.

Полученный результат уместно рекомендовать к использованию на производстве для получения экономического эффекта за счет экономии затрат сырья и улучшение параметров качества гофрированного картона. С помощью модели можно определить, какое сочетание гофроматериалов будет наиболее технологичным, оптимальным и экономически выгодным. Для этого в расчет нужно внести стоимость каждого вида сырья в зависимости от массы и марки.

На основании вышеизложенного можно сделать такие выводы: 

• сопоставление показателей картонной тары и гофрированного картона, основанное на предшествующей многолетней концепции и ссылках на различные мировые аналоги, позволило сделать аргументируемые выводы о необходимости пересмотра действующих стандартов на тару из гофрокартона и гофрокартон, на бумагу и картон (как сырье для гофротары);

• многие разработанные ранее стандарты устарели и прекращают свое действие с 2018 г.;

• в новых стандартах необходимо разделить продукцию на две группы, исходя из нагрузок, которые испытывают материалы при изготовлении тары: динамическая (вследствие удара при свободном падении) и статическая (обусловленная сжатием при штабелировании и перемещении), с указанием основных механических показателей, доминирующих для каждой группы;

• при гармонизации наших стандартов и стандартов ЕС на методы испытания необходимо разрабатывать единую систему подхода, которая увяжет требования к бумаге для гофрирования и к картону для плоских слоев с качеством гофротары;

• необходимо внедрить математическую модель, объединяющую экономические и технологические показатели продукции, на предприятиях для прогнозирования качества при изготовлении конкурентоспособной продукции.  

Литература:
1. Kainulainen M., Toroi M. Optimum composition of corrugated board with regard to the compression resistance of boxes / Paperi ja Puu. – 1986. – V. 68, № 9. – Р. 666–668 (англ.).
2. Мороз В. М., Долинська Г. Й., Миленький В. И. Моделювання економічних показників гофрованого картону. – Журнал «Упаковка», № 2. – Київ, 2010. – С. 9–11.